simcenter_star-ccm_casting_application_spotlight_customer_presentation_v13 04zh

1、Unrestricted Siemens AG 2018实现创新。铸造Simcenter STAR-CCM+ v13.04聚焦目录概述：铸造建模为何势在必行？Simcenter STAR-CCM+ 中的铸造深入了解：铸造模型：缺陷分析 材料数据库性能增强铸造工艺：高压压铸熔模铸造砂模铸造连铸和锭铸Unrestricted Siemens AG 2018第 2 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software概述：铸造铸造建模为何势在必行？Unrestricted Siemens AG 2018第 4 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Softw

2、are预测型工程 减少不良品 可接受的缺陷图 工程材料属性创新 结构件 新型合金 电气化高效制造 数字化工艺开发 工艺可靠性 能效铸造建模如何应对挑战？Unrestricted Siemens AG 2018第 5 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software 减少不良品 可接受的缺陷图 工程材料属性探索和优化铸造工艺： 缩短满负荷生产的产能提升时间 提高工艺铸成率和能效 探索新型合金并应对具有挑战性的产品需求 降低成本以保持竞争力工程创新 结构件 新型合金 电气化预测和了解真实物理现象： 加注与凝固分析 夹气、氧化物和收缩等缺陷 实际工艺描述 铸造机热分布 数字

3、化工艺开发 工艺可靠性 能效关键技术Unrestricted Siemens AG 2018第 6 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Simcenter STAR-CCM+ 灵活稳定地处理原始和中间格式的 CAD 数据 进行稳定的网格剖分，从而捕捉复杂的几何特征 求解流体和固体区域，从而精确模拟共轭传热高效的 CAD 处理和网格剖分关键技术Unrestricted Siemens AG 2018第 7 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速

4、度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Simcenter STAR-CCM+囊括了所有必要的物理现象： 模具加注过程中的多相流模拟，包括表面张力效应 金属凝固 通过流体和铸件装配的热传递砂模铸造锭铸（包括浮力）熔模铸造浇铸不足高效的 CAD 处理和网格剖分关键技术Unrestricted Siemens AG 2018第 8 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Simcenter STAR-CCM+ 与温度相关的材料数据 能够导入或更改材料数据 内置材料数据库高效的 CAD 处

5、理和网格剖分关键技术Unrestricted Siemens AG 2018第 9 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Simcenter STAR-CCM+ 提供方法预测微观收缩、宏观孔隙、氧化物、夹气等铸造缺陷 冶金领域见解：枝晶间距、凝固类型高效的 CAD 处理和网格剖分关键技术Unrestricted Siemens AG 2018第 10 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Si

6、mcenter STAR-CCM+ 灵活地对大多数铸造工艺进行建模 根据不断变化的工程目的调整模拟连铸和锭铸熔模铸造压铸高压压铸重力砂模铸造高效的 CAD 处理和网格剖分关键技术Unrestricted Siemens AG 2018第 11 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Simcenter STAR-CCM+ 稳定的加注与凝固分离求解器 可高度扩展，适用于多物理场模拟 定制所需的模型，以满足工程需求高效的 CAD 处理和网格剖分关键技术Unrestricted Siemens AG

7、2018第 12 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场Simcenter STAR-CCM+ 瞬态数据的灵活分析和可视化 提供工具调查工程量之间的因果和相关性将夹气与主要流模式相关联高效的 CAD 处理和网格剖分使用Simcenter STAR-CCM+ 进行铸造建模Unrestricted Siemens AG 2018第 13 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software强大的后处理速度和性能工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场聚焦铸造 预测模具加注

8、与凝固建模 为整个工艺范围提供可靠的材料数据 提供一套全方位的模型来预测铸造缺陷 铸造工艺覆盖范围广高效的 CAD 处理和网格剖分Simcenter STAR-CCM+ 铸造建模 多物理场T=0.10sT=0.20s多相流 (VoF)模拟 模具加注求解整个铸造工艺的凝固和流体效应两相区建模预测浇铸不足捕捉夹气T=0.50sT=0.30s壁面孔隙率模型，包括多孔模具、型芯和排气镶件T=0.70sT=0.90sT=1.25sT=1.05s模具加注模拟与试验铸造。试验铸造资料来源：Benchmark Testing the Flow and Solidification Modeling of Al

9、 CastingsUnrestricted Siemens AG 2018作者 B. Sirrell、M. Holliday 和 J. Campbell，于 1996 年刊登在 JOM, Member Journal of The Minerals, Metals & Materials Society 第 48(3) 期的 20-23 页。第 14 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM SoftwareT=0.00sX 射线框架Simcenter STAR-CCM+ 铸造建模 材料数据Access Technology 的铸造材料数据库包含以下各项的高质量材料数据：铸造合

10、金永久性和可卸式模具材料型芯、激冷和辅助材料，如绝热羊毛大多数材料数据来自测量的合金样本，包括室温数据和超出Tliquidus的温度数据可以通过用户自己的数据集扩充数据库Unrestricted Siemens AG 2018第 15 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM SoftwareSimcenter STAR-CCM+ 铸造建模 缺陷分析和冶金评估铸件缺陷的专用模型：微观收缩：无量纲 Niyama 准则宏观孔隙：宏观孔隙率模型氧化物：接触时间模型VoF 夹气预测模型通过预测模型提供冶金方面的见解一次和二次枝晶间距评估凝固行为的 G/v 标准（平面、柱状或枝晶）Unr

11、estricted Siemens AG 2018第 16 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM SoftwareSimcenter STAR-CCM+ 铸造建模 工艺覆盖范围广Simcenter STAR-CCM+ 可处理压铸砂模铸造熔模铸造连铸和锭铸所有可能的主要加注驱动力重力、离心力、活塞、反压力从坩埚浇注可变模拟类型：仅凝固、加注与凝固或仅等温Unrestricted Siemens AG 2018第 17 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software总结Unrestricted Siemens AG 2018第 18 页2018 年

12、06 月 27 日Siemens PLM Software几何和网格Simcenter STAR-CCM+ 涵盖预测铸造模拟所需的全部物理模型 全面的材料数据库 铸造专用缺陷预测模型 应对各种不同的铸造工艺强大的后处理自动化和速度工艺覆盖范围广缺陷分析和冶金材料数据多物理场 预测和了解实际铸造工艺 探索和优化铸造工艺深入了解：铸造模型目录概述：铸造建模为何势在必行？Simcenter STAR-CCM+ 中的铸造深入了解：铸造模型：缺陷分析材料数据库性能增强铸造工艺：高压压铸熔模铸造砂模铸造连铸和锭铸Unrestricted Siemens AG 2018第 20 页2018 年 06 月 2

13、7 日Siemens PLM Software缺陷分析缺陷关键信息铸造缺陷是指实际铸件的质量或状态相对于理想产品的偏差常见缺陷包括：孔隙率氧化物 浇铸不足夹气热点分析显示与额外立管断开的热点 收缩缺陷的来源Unrestricted Siemens AG 2018第 22 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software缺陷 - 孔隙率微观孔隙率：将准则函数作为经验模型来评估微观收缩Niyama 准则无量纲 Niyama 准则需要针对实际铸件手动验证不同的合金宏观孔隙率适用于基于密度的纯热模拟（取决于隔离液体金属腔体中的体积差）根据隔离液体金属腔体中的压降预测全耦合模拟

14、的高保真宏观收缩时，可以包括浮力效应Unrestricted Siemens AG 2018第 23 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software氧化物基于被动标量的氧化物预测模型：累积金属相暴露于空气中的时间用户可以通过修改基础氧化物累积定律来考虑包括诸如金属氧化物量带来的影响该模型不会影响流场，但可以用基于氧化膜厚度的粘度来考虑氧化膜对流动的影响计算填充锋面：填充锋面通常输运大部分的氧化物和灰尘通过追踪填充锋面的过程及其最终停留处，可以估计氧化物污染对于倾斜铸造，加注期间的氧化物预测和加注结束时的氧化物热点Unrestricted Siemens AG 201

15、8第 24 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software缺陷 - 浇铸不足并行求解流动与凝固：金属凝固及其对模具加注的效应与实际流动同时计算技术合金两相区对金属枝晶的增长和累积对流体的效应建模多孔介质方法凝固对流动行为的影响流动停止模型：流动停止的网格单元中所有通量的预期能量调到零位适用于较大的压力梯度或体积力（如 HPDC）Unrestricted Siemens AG 2018第 25 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software缺陷 夹气VOF 多相流模型：本身提供气体相和金属相之间的空间分布后处理加注和相分布可用于评估夹气求解

16、整个流体域的传输方程，因此气体相通过该域传输并与金属相相互作用表面张力效应夹气因排气和气体压缩效应而产生的反压力Unrestricted Siemens AG 2018第 26 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software材料数据库材料数据库关键信息金属制造材料数据库是铸件预测分析的基础：包含各种材料：铸造合金模具材料辅助材料材料数据按合金组进行组织可用于加注与凝固模拟的基本材料数据 与温度相关的数据（从高于液相线温度到室温） 可反映特定工艺条件的不同冷却率数据集用户可以： 在选择合适的材料之前比较不同材料 创建自己的材料数据集或导入外部材料数据集Unrestri

17、cted Siemens AG 2018第 28 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software铸造材料数据库内部的材料层次结构用户自定义材料数据模型描述 编辑或创建全新的材料何时使用？ 如果材料数据的当前发行版本不包含所需材料 必须对现有材料使用非标准材料数据典型应用 新型合金组Unrestricted Siemens AG 2018第 29 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software如何使用铸造材料提示与技巧在导出之前选择所有相关的铸造材料 将单个材料导出至Simcenter STAR-CCM+可以使用给定材料的替换选项，轻松将相

18、应材料添加到物理连续体如果要在多个模拟中使用所选的特定材料，可以选择将该材料导出为XML 稍后在跨多个用户/案例进行设置时节省手动操作时间并减少错误。Unrestricted Siemens AG 2018第 30 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software性能增强性能增强关键信息在铸造分析过程中，流动和能量特性迥然不同。要支持高效稳定地模拟不同工艺阶段，模型和推荐做法如下：分离时间步模型： 该时间步模型可用于选择正确的时间步长质量错误率模型： 动态内部迭代次数对状态方程的修正： 气体相的密度限制 金属相的可压缩状态方程Unrestricted Siemens

19、AG 2018第 32 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software分离时间步模型模型描述 扩展标准库朗数驱动的时间步模型 CFL 数使用传输方程的变化加权：动量（流体）VoF（自由表面） 能量融化/凝固（相变率）何时使用？ 模拟的流态在整个模拟时间范围内不断变化 适用于所有铸造工艺典型应用 加注（与凝固）模拟缓慢加注碰撞金属射流熔体自由下落Unrestricted Siemens AG 2018时间步长比较：分离时间步模型与对流 CFL 时间步模型Siemens PLM Software第 33 页2018 年 06 月 27 日如何有效地使用分离时间步模型提示

20、与技巧在流体分析中，流动法和 VoF 方法通常足以控制时间步长凝固仅使用能量法和凝固法推荐设置：常规：流体：1.5 /3 个时间步VoF：0.5/4 个时间步HPDC：流体：0.8 /3 个时间步VoF：0.3/3 个时间步分离时间步模型和典型输出变化因子：向上：1.3；向下：1.8时间步上限在隐式非稳态求解器中设置Unrestricted Siemens AG 2018第 34 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software质量错误率模型模型描述 每相每秒累积的质量误差 可针对每个 VoF 相选择何时使用？ 加注分析 动态选择每个时间步所需的内部迭代次数典型应用

21、所有铸造工艺 常规 VoF 模拟模拟期间每个时间步的质量错误率Unrestricted Siemens AG 2018第 35 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software质量错误率模型模型信息可变内部迭代动态选择每个时间步的内部迭代次数，可用于： 确保每个时间步中的收敛 高效驱动模拟资源对于铸造模拟，金属相守恒与整个模拟正常运行同义将内部迭代次数建立在金属质量收敛的基础上专用“质量错误率模型” 模拟期间每个时间步的内部迭代次数Unrestricted Siemens AG 2018第 36 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Softwar

22、e如何设置内部迭代次数提示与技巧激活相关相（通常情况下金属相已足够）的质量错误率模型根据质量错误率场函数创建最大值报告根据此报告（每次迭代时更新）创建监视器从监视器中创建最大停止条件选择每秒错误率，使整个模拟期间的总质量错误率可接受（即，总质量错误率为 3%）为每个时间步设置合适的最小和最大内部迭代（如5-20）停止条件的基本步骤（基于金属相中的相对质量错误）Unrestricted Siemens AG 2018第 37 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software状态方程注意事项模型信息由于金属相和气体相的材料属性之间存在明显差异，会导致很大的流场梯度，因此需

23、要特别处理这些相的状态方程推理：标准过程是将气体相建模为可压缩理想气体，并将金属相建模为不可压缩流体但对于此类密度比，正如铸件中所示，当以不同的速度（取决于网格单元相成分）传输压力信息时，这可能是一个问题通过将金属相也设为稍微可压缩，确保压力信息始终以有限的 速度传输还推荐理想气体的密度限制（显示在右侧）激活了密度限制的理想气体密度Unrestricted Siemens AG 2018第 38 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software如何设置可压缩状态方程提示与技巧在“相模型选择”中选择“用户自定义的 EOS”启用“可压缩”创建以下各项的场函数密度温度导数密

24、度压力导数 (1e-5)密度公式，防止密度为负允许绝对总压力变为负数建议用于所有铸造加注应用通常仅适用于液相温度相关 EOS 场函数示例（新增了可压缩性）Unrestricted Siemens AG 2018第 39 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software密度 f(T,P) = ($, $+$ $)深入了解：铸造工艺目录概述：铸造建模为何势在必行？Simcenter STAR-CCM+ 中的铸造深入了解：铸造模型：缺陷分析 材料数据库性能增强铸造工艺：高压压铸熔模铸造砂模铸造连铸和锭铸Unrestricted Siemens AG 2018第 41 页20

25、18 年 06 月 27 日Siemens PLM Software高压压铸高压压铸关键信息可直接应用 Simcenter STAR-CCM+ 进行高压压铸建模，包括：(HPDC) 工艺金属计量铸造室和加注运动凝 固 模冷却其高度精确的多相流功能非常适合于研究常见的型：HPDC 缺陷类夹气浇铸不足孔隙率Unrestricted Siemens AG 2018第 43 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software计量和压射室铸造室加注，包括钢包计量获得洞察力：了解活塞运动和预凝固优化活塞运动以减少携入的空气和氧化物压射时间通过以下方式实现：VoF 多相流模拟预先指定

26、规律的活塞运动，根据网格变形对铸造室压缩建模Unrestricted Siemens AG 2018第 44 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software计量和压射室Unrestricted Siemens AG 2018第 45 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software错误的压射曲线可能会增加零部件成品中的含气量加注与凝固对于这个极其快速的混乱过程，大多数问题都是由于不太了解加注行为和凝固对流体的效应所致通过预测加注分析可以洞察和预测因对加注工艺认识不足而产生的最为重要的铸造失效模式通过以下方式实现：VOF 模型湍流建模高质量材

27、料数据Unrestricted Siemens AG 2018第 46 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software熔模铸造熔模铸造关键信息可使用 Simcenter STAR-CCM+ 对不同类型的熔模铸造进行建模：重力熔模铸造离心铸造Bridgman 铸造可以自动生成与工艺相关的壳模对于每个工艺，可以对最常见的缺陷建模并将模拟范围调整为包括浇注旋转或平移运动加注凝固将熔体注入离心铸造系统并监视流入条件，资料来源：Access e.VUnrestricted Siemens AG 2018第 48 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Sof

28、tware重力熔模铸造Simcenter STAR-CCM+ 可以直接应用于重力熔模铸造建模并帮助了解浇铸不足冷隔微观和宏观收缩缺陷通过以下方式实现详细几何特征的贴体多面体网格用于生成壳模的偏移网格生成器VOF 多相流建模两相区和流动停止建模 多孔模具的气体渗透边界TiAl 涡轮机叶片的试验铸造与模拟比较，资料来源：Access TechCenterUnrestricted Siemens AG 2018第 49 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software离心熔模铸造Simcenter STAR-CCM+ 可以直接应用于离心熔模铸造建模通过模拟铸造系统的旋转，建

29、模可以重现离心熔模铸造中最常见的缺陷成因通过以下方式实现刚体运动重叠运动预测浇铸不足，用于验证不同的浇注设计和试验铸造，资料来源：Access e.VUnrestricted Siemens AG 2018第 50 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software壳模生成网格化 - 壳模生成关键信息通过反复浸渍和涂层工艺创建熔模铸造模具：最终形状取决于几何和模具浆料成分通常该模具不作为 CAD 提供，需要在模型设置过程中创建Simcenter STAR-CCM+ 提供了一个模型，用于根据铸件的数据自动生成壳模形状CAD Unrestricted Siemens AG

30、2018第 52 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software偏移网格生成器模型描述基于区域的网格化模型，用于创建熔模铸造壳在一个步骤中创建流体和壳网格基于局部曲率自动加密 包括凸角和凹角效应近壁棱柱层，用于捕捉热和流体边界层 适用于薄结构的薄体网格生成器何时使用？ 仅已知铸件和浇注几何，但模具系统几何未知典型应用 熔模铸造Unrestricted Siemens AG 2018第 53 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software如何使用偏移网格生成器提示与技巧使用“凸度”和“凹度”模拟实际的浆料行为创建空区域，该区域将成为新壳模并

31、标记为偏移区域如果要在最终壳中将每个输入边界表示为单独的边界，选择“多个外边界” 在网格化之前，在函数边界中分割铸造系统以反映入口/出口、对称平面需要在熔模壳模顶部添加额外的包面/绝缘材料时，建议在网格化之前也将其分割为单独的边界Unrestricted Siemens AG 2018第 54 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software小间隙内的壳模聚结砂模铸造砂模铸造关键信息Simcenter STAR-CCM+ 可以直接应用于砂模铸造工艺建模，包括从坩埚浇注加注与凝固包括凝固对型芯和模具中的残留水的效应对放热镶嵌、立管套等建模其高精度的多相流体功能非常适合于

32、研究常见的砂模铸造缺陷类型：夹气浇铸不足孔隙率Unrestricted Siemens AG 2018第 56 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software加注分析要研究的加注分析：夹气氧化物生成源均匀加注行为主要特征/模型 初始设计通过以下方式实现：VoF 多相流模拟湍流建模表面张力效应高效的流动可视化 初始设计修正设计修正设计 可在虚拟模型中验证通过更改浇注设计减少滞留空气Unrestricted Siemens AG 2018第 57 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software水分沸腾模型模型描述 该模型适用于固体区域 仅考虑

33、因残留水蒸发而传输的能量 不生成/传输蒸汽何时使用？ 包括砂芯和模具中残留水蒸发的热效应典型应用 砂模铸造模具 内核数Unrestricted Siemens AG 2018第 58 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software放热固体模型描述 该模型适用于固体区域 考虑因放热反应而释放的能量 反应时间相关的放热（通过场函数或表） 不包括烟气生成何时使用？ 对放热盖、立管、衬垫建模典型应用 通常适用于可卸式成型铸件Unrestricted Siemens AG 2018第 59 页2018 年 06 月 27 日Siemens PLM Software连铸和锭铸连续铸造关键信息Simcenter STAR-CCM+ 可以直接应用于各种类型的连续铸造工艺建模，包括锭铸双辊铸造多/单链钢坯或方坯铸造可以研究以下几个方面沿链中心线的壳厚度增长弯月面位置模具内流，包括浸入式水口卷渣单链钢坯连铸机中的稳态固相体积分数分布Unrestricted Siemens AG 2