第二章FLOW3D-填充分析

第二章、FLOW-3D铸造

充填分析

FLOW-3D®v9.2目录可接受之图档格式网格建立成形條件設定成形材料选择指定物理量–充填模式模具材料选择边界条件定义初始条件设定输出资料数值选项设定执行第一组分析2.1、FLOW-3D可接受之图档FLOW-3D

接受多种图档及网格格式，可从外部绘图程式或其他CAE前处理器转入。不过在预设的前处理器中，仅能直接读取STL格式。其馀格式必须以文字编辑器编辑Prepin档。STLUNVOthermeshes操作STL（stereolithography）format大部分的CAD都支持STL格式输出。STL格式转出时，实体图档会以三角形面完全包覆，转出格式则包含三角形的三个点的座标，以及三角形的法线方向。所有的座标格式均采用直角座标系(Cartesiancoordinatesystem)。STL格式STL档案是以”.stl”为副档名，STL格式是以近似的外包曲面来代表物体的表面。STL档案中包含一序列的面资料，每一个面资料以一个单位法向量（Normalvector）以及三个顶点（vertices）座标来表示。因此是以12个数字来代表一个面。STL档案分为Ascii及Binary两种格式，Ascii的STL档案只是为了让使用者可以看出其格式并且进行编辑，但是档案格式较大。由於FLOW-3D

两种格式都可以接受，建议生成格式采用Binary格式（Binary格式的STL档案较小）。(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)NormalVectorI-DEASUniversalFileFLOW-3D

也可接受从其他CAD或CAE产生之tetrahedral网格档，预设格式为I-DEAS的Universal格式（副档名为.unv），由於读入的资料仅需四个顶点的座标以及其关连性，因此即使是其他格式的网格档，只要符合这个格式，就可以读取。如果要输入此类格式之网格档，必须以notepad编辑Prepin档。FIDEAS(L)=‘filename’.预设档案名称为“cadfnn.inp”，nn为数字.转入之图档同样可以在FLOW-3D

内进行平移/旋转/缩放等设定。其他网格格式FLOW-3D也支持由ANSYS转出之TetraElement网格档，不过必须将档案分为两部分，分别是座标档以及网格关连档。在铸造领域设定时，建议使用者直接以STL档作为分析档案格式。操作：从前处理器加入STL档加入STL档

FLOW-3D没有限制STL档的数量，如果需要加入多个STL档，可以重复加入Geometryfile(s)几何图档设定变更物件单位及图档类型单位转换变更类型实体孔组件Unit单位FLOW-3D内定单位为SI（m,Kg,…）CGS（cm,g,…）ENGINEERING（英制）由於大部分铸件绘图单位为mm，因此在FLOW-3D读入图档时建议将单位转换至CGS制。1mm=0.1cm，因此单位转换时Globalmagnitude必须填入0.1。ComponentType物件类别SolidHoleComplement2.2、网格建立网格基本设定UniformMeshesNon-UniformMeshes网格建立重点Multi-BlockMeshes操作：建立网格网格基本设定UniformMeshesNon-UniformMeshes使用时机：大部分状况，建议采用UniformMeshes。如果是ExternalFlow的案例，再利用Non-UniformMeshes减少网格数量网格建立重点尽量采用UniformMeshes格式。网格的AspectRatios尽量趋近於1（正立方体）。AspectRatio建议不要超过3.0；如果是采用Non-UniformMesh格式时，相邻的网格尺寸比例建议不要超过1.25。如果分析中包括表面张力计算，在表面区域尽量采用UniformMeshes。Multi-BlockMeshesFLOW-3D於V8.0版之後，推出Multi-BlockMeshes的设定方式。Multi-BlockMeshes可以适用於各种应用领域，能够在分析模型中进行局部或整体的网格尺寸调整，大幅减少分析时所需之内存。网格区块（MeshBlock）不允许局部重叠，仅能完全相接或者是完全重叠。FLOW-3D并没有限制仅能采用ConnectedBlocks或是NestedBlocks，也没有限制网格区块的连接方式（连接方式与流体的流动方向无关）。使用者可以根据实际需求进行调整。Multi-BlockMeshesConnected

接续式网格区块Nested

巢式网格区块Multi-BlockMeshes应用网格区块可同时存在Nested及Connected格式发生『部分重叠』，这样的网格区块无法使用部分重叠Multi-BlockMeshes设定重点网格区块数量越少越好；每增加一个网格区块，至少会增加一个需要计算叠代的边界。不必要的网格区块会增加叠代可能造成的数值误差以及增加分析时间。网格区块之间的AspectRatio（网格尺寸）尽量采用1.0~2.0之间。避免在流场紊乱（压力梯度较大）的位置建立网格区块，网格区块连接的位置尽量位於流场平缓的区域。在网格区块的连接位置，以FixedPoint确认网格区块的连接，这样可以减少网格区块连接位置的体积误差量。操作：建立网格显示网格隐藏网格切换成圆柱座标增加网格区块网格区块资讯网格区块的调整新增网格区块删除网格区块自动切割网格调整网格区块网格资讯网格区块尺寸调整移动网格区块复制网格区块分割网格区块自动调整网格区块至几何图档大小隐藏网格显示网格仅显示单一网格区块显示所有网格区块常用指令Meshadjustment以鼠标调整网格大小步距大小可调整不同的数值AutoMesh&MeshInfo可指定网格总数量，或者是指定网格尺寸大小程式会根据指定的条件，在X,Y,Z三方向进行网格切割真实网格数量以FAVOR检视网格建立状况在网格切割完成之後，可以用FAVOR检视在现有网格数量设定下，是否能够完整的描述模型的外型。选择Open网格切割注意事项网格切割的层数仅需描述几何外型，不需要生成三层以上的网格（单层即可）。建议采用均一尺寸的网格。以FAVOR工具检视网格图档是否能完整描述原始图档。多网格区块设定可以在网格数量限制下更完整的描述图档。但是网格区块不宜过多。充填分析建议不需要超过三个（固化分析建议采用一个）。一般而言，网格区块最多不宜超过五个。如果采用多个网格区块，不要在流动复杂的位置做切割（尽可能在流动单纯的位置进行切割）。不同网格区块的网格尺寸大小可以不同，但是尽量不要超过两倍。如果要用多网格区块进行网格建立，尽可能采用LinkedBlocks。2.3、分析條件設定FLOW-3D

可以指定分析停止的条件。分别是：FinishTime（指定时间，时间到达时停止）FillFraction（指定充填率，充填率到达指定值时停止）SolidifiedFluidFraction（指定固化率，固化率到达指定值时停止）FinishTime为最高判断原则，一旦到达FinishTime，程式会强迫停止。一般执行充填仿真时，会选用FillFraction作为程式判断条件（在FinishTime填入较大的数值）。操作：指定分析条件指定分析停止条件->FillFraction

FillFraction=1->模穴填满率达100%才停止由於FinishTimeFinishTime到达时，程式也会停止计算；因此将此数值加大，确保程式会以FillFraction作为停止条件。完成时间填充率模穴填满率跟踪的接口充填方式文件类型版本选项流体的数目不压缩不用帮助提供建议提供建议，并采取行动压缩自由表面或尖锐的接口没有锋利的界面非物质的瞬间

处理器数目导师选取项单位模拟单位2.4、成形材料选择FLOW-3D内建材料库中，包含了大部分常用的金属材料。使用者可以直接选用。如果材料库内的材料不足，可以利用新增材料的方式建立自己的材料；另外，也可以编辑内建之材料。FLOW-3D是一套标准的计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）软件，因此支持多流体的计算方式。分析可以载入两种不同的材料以进行两相流分析（铸造领域不会使用到此部分功能）。FLOW-3D

內建材料之資訊FLOW-3D

內建材料之資訊操作：选择成形材料選擇材料時必須指定單位2.5、指定物理量–充填模式AirEntrainment卷气DefectTracking缺陷追踪DensityEvaluation密度变化Gravity重力HeatTransfer热传Solidification固化Viscosityandturbulence黏度与紊(wei)流AirEntrainment（卷气)当流体处於自由液面流动时，表面紊流可能会将空气卷入流体内，这种现象称为卷气（AirEntrainment）。铸造过程中，卷气可能会造成缩孔的产生，以及铸件表面或结构上的缺陷。仅开启卷气模型计算时，卷气计算并不会影响到原始流体的流动模式（卷气量不大），如果卷气量大到足以影响流场的运动模式，就必须开启DensityEvaluation（密度变化模型）以考虑卷气量对於流体密度的变化。前者称为Passive(被动）计算；而後者则是称为Active（主动）计算。AirEntrainmentmodels填入表面张力系数并不会启动表面张力模型计算；不过会根据表面张力系数大小计算流体表面的力平衡，以决定卷入的空气量。卷气率系数开启模型自定义卷气模式Active:主动;自动空气密度值在Active模式需要计算空气卷入量对於流体密度的影响时，才需要填入空气密度值。一般计算（Passive）不需要填入此数值。表面张力系数DefectTracking（缺陷追踪）铸件的机械强度与铸造过程中生成的氧化膜、卷气，以及其他在充填过程中夹杂於固体内之杂质息息相关。表面追蹤模型（TheSurfaceDefectTrackingmodel）會記錄金屬液體與表面空氣接觸的時間以及接觸面，能夠讓使用者預測金屬氧化膜的生成位置以及集中區域。DefectTracking的数据为相对数值，如果有实验，可以叁考实验数据给定资料；也可以给定一正整数，叁考其显示之位置。跟踪多余的表面和/或流体气泡缺陷氧化层生成速率DensityEvaluationFLOW-3D内的流体密度可以是其他变数的函数，例如温度或是固化率。举例而言，计算时可以考虑流体密度随着流体温度的变化。Gravity（重力）FLOW-3D内的重力方向是以卡式座标系定义。数值可为X,Y,Z三方向之一，或者是以分量的方式加以组合。如果流体运动过程中，重力方向会随着时间变化（例如倾斜铸造TiltCasting），可以改用Non-InertialReferenceFrame加以定义。重力单位为CGSHeatTransfer（热传）热传计算必须先启动内能计算，再决定热传形式。FLOW-3D预设之内能（internalEnergy）计算方式系采用1st-orderupwinddifferencingmethod的内能计算方程式，适用於大部分的应用案例。如果使用者的流场形式需要较高的精度计算，例如浮力场（buoyantflows）温度可能会随着流体密度变化的状况，才需要开启二阶计算。流体内能平流没有传热模型第一顺序第二次保存HeatTransferandConductioninComponentsUniformcomponenttemperatures所有的物件会被当作是Lumpedtemperaturebody（集总温度物件，整个物件视为一均一温度之物件），物件内部不计算温度传导（Density*SpecificHeat为passive），不过温度值可以在Prepin档内编辑，指定为随着时间变化。Non-uniform,constanttemperature

物件内的温度不均一，但是仍然不会启动传导方程式计算温度分布，因此物件的温度不会随着时间而改变。物件的温度可以利用初始条件加以定义，或者是以restart接续已有结果计算。HeatTransferandConductioninComponentsFullenergyequation热传计算包含整个物件，因此固体部分的ThermalConductivity和Density*SpecificHeat都必须填入数值，否则整个物件会被当作是固定温度而不进行相关的计算。Heattransfer为了缩短计算时间，使用者可以采用

Firstorder/Uniformcomponenttemperatures

（此时假设模具温度为等温，程式不计算模具内的温度分布）FLOW-3DV9.2以後的版本针对此设定以及未开启热传分析的专案会自动启动ActiveMesh设定，可大幅度的缩短分析时间。流体固体热转移

Solidification当启动固化模型（SolidificationModel），以及指定热传、比热以及热传导後，固化计算就可以进行。预设计算过程中，铸件的潜热（latentheat）会以线性的方式从液态温度降低至固化温度；如果潜热释放的状况较复杂，可以利用编辑SpecificEnergyTables（Fluids>SolidificationProperties>SpecificEnergyTables

）的方式定义潜热释放为温度相关的方程式。Solidificationoptions充填阶段仅需开启固化（程式会考虑相变化造成的凝固）单纯进行充填仿真时，仅需开启Activatesolidification，其馀选项维持初始设定即可。Viscosityandturbulence黏度（Viscosity）是流体的一种性质，用来描述流体分子间相互运动所产生的组抗。FLOW-3D支持牛顿流体（NewtonianFluid）与非牛顿流体（Non-NewtonianFluid）之描述。紊流是流体的一种流动状况。当流速很低时，流体分层流动，互不混合，称为层流（Laminarflow），逐渐增加流速，流场中的流线会出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅会随着流速的增加而增加；当流速很大时，流线不再清晰可辨，流场中会出现许多小漩涡，称为紊流（TurbulenceFlow）。层流与紊流的差别可以用雷诺述加以量话。雷诺数小时，黏滞力对流场的影响大於惯性力；雷诺数越大，惯性力对流场的影响会大於黏滞力。流態轉變時的雷諾數值稱為臨界雷諾數。一般管道雷諾數

Re＜2300

為層流狀態，Re

＞4000

為亂流狀態，Re＝2300～4000為過渡狀態。Viscosityandturbulance一般铸造制程，建议选用Turbulent/RNGmodelTurbulentmixinglength不需要填入数值。2.6、模具材料选择模具材料的材质会影响热传递的速度以及模具温度的分布。不同的材料其温度传递的速度也会不同。FLOW-3D

内建模具材料资料库，使用者也可以自行编辑加入。需要苍集的资料包括了模具材料的密度、比热，热传递系数，以及成形时的模具温度。操作：选择模具材料Tools/SolidsDatabase不同的成形金属对应不同的模具材料，必须填入不同的热传递系数填入成形时的模具温度模具温度指定如果已知模具温度，直接填入温度。FLOW-3D的温度单位为K，因此必须把摄氏温度+273.15。大部分的压铸模具温度，会设定为成形金属温度的1/3±25°。2.7、边界条件设定边界条件代表浇注过程如何执行。FLOW-3D支持压力边界条件以及速度边界条件，浇注状况可设定与时间相关（随着时间变化而调整压力或速度的大小）。高压铸造：一般以速度做为边界条件设定。低压铸造：一般以压力做为边界条件设定。重力铸造：一般以压力（大气压力）做为边界条件；如果操作人员刻意减慢倾倒速度，可以根据大概的充填时间换算成速度边界填入。倾斜铸造：一般以角速度与时间的变化直接於Non-InertialRF内设定。压铸边界条件条件计算如果使用者知道压铸机的充填速度，可以直接换算成柱塞头的移动速度，当作是边界条件。如果使用者不知道压铸机的充填速度，可以改用一般设计常用的『建议内浇口充填速度』换算成柱塞头的移动速度。叁考数据充填速度m/sec鋁20-60鋅30-50鎂40-90黃銅20-50内浇口面积A1

内浇口速度V1柱塞头面积A2

柱塞头速度V2A1*V1=A2*V2V2=A1*V1/A2

V2为边界条件之速度值

（单位必须换算为CGS制）操作：指定边界条件成形温度填入温度（K）2.8、初始条件设定FLOW-3D

可设定多项初始条件，但是在铸造领域中，最重要的两项分别是模穴内的初始空气压力以及初始空气温度。由於单位（CGS制）上的考量，压力必须经过换算。一大气压=1.013e6。温度部分则是必须以K作为换算。摄氏单位必须加上273.15