第二章 FLOW-3D 铸造充填分析

Multi-Block Meshes
• FLOW-3D 於 V8.0 版之後，推出 Multi-Block Meshes 的设定方式。Multi-Block Meshes 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（Mesh Block）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 Connected Blocks 或是 Nested Blocks，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。
Defect Tracking
• 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（The Surface Defect Tracking model） 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。
其他网格格式
• FLOW-3D 也支持由 ANSYS 转出之 Tetra Element 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
常用指令
Mesh adjustment
以鼠标调整网格大小 步距大小可调整不同的数值
Auto Mesh & Mesh Info
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。
Air Entrainment
• 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（Air Entrainment）。 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 Density Evaluation （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 计算；而後者则是称为 Active 计算。
Defect Tracking 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。
Density Evaluation
• FLOW-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。 • 不过，密度变化必须开启相关的模型。以铸造而言， 除了要开启热传模型（Heat Transfer）并且计算流体的 内能（internal energy）变化。另外，必须定义流体的 热膨胀系数（Thermal expansion coefficient）才能得到 合理的结果。
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
Gravity
• 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 Tilt Casting），可以改用 Non-Inertial Reference Frame 加以定义。
Multi-Block Meshes
• Connected 接续式网格区块
• Nested 巢式网格区块
Multi-Block Meshes 应用
部分重叠
•
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
Multi-Block Meshes 设定重点
Component Type 物件类别
Solid
Hole
Complement
2.2、网格建立
• 网格基本设定 – Uniform Meshes – Non-Uniform Meshes • 网格建立重点 • Multi-Block Meshes • 操作：建立网格
网格基本设定
• Uniform Meshes
• • • •
2.3、分析條件設定
• FLOW-3D 可以指定分析停止的条件。分别是： – Finish Time（指定时间，时间到达时停止） – Fill Fraction（指定充填率，充填率到达指定值时停 止） – Solidified Fluid Fraction（指定固化率，固化率到达 指定值时停止） • Finish Time 为最高判断原则，一旦到达 Finish Time， 程式会强迫停止。 • 一般执行充填仿真时，会选用 Fill Fraction 作为程式判 断条件（在 Finish Time 填入较大的数值）。
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
• • • • • • • Air Entrainment 卷气 Defect Tracking 缺陷追踪 Density Evaluation 密度变化 Gravity 重力 Heat Transfer 热传 Solidification 固化 Viscosity and turbulence 黏度与紊流
• 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 Aspect Ratio（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 Fixed Point 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：指定分析条件
由於 Finish Time 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 Fill Fraction 作为停止条件。
指定分析停止条件 -> Fill Fraction Fill Fraction=1 -> 模穴填满率达 100%才停止
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（Computational Fluid Dynamics ）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）。
第二章、FLOW-3D 铸造 充填分析
FLOW-3D® v9.2
目录
1. 可接受之图档格式 2. 网格建立 3. 成形條件設定 4. 成形材料选择 5. 指定物理量 – 充填模式 6. 模具材料选择 7. 边界条件定义 8. 初始条件设定 9. 输出资料 10. 数值选项设定 11. 执行第一组分析
Geometry file(s) 几何图档设定
单位转换
变更类型
变更物件单位及 图档类型
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。 • 1 mm = 0.1 cm，因此单位转换时 Global magnitude 必须 填入 0.1。
Air Entrainment models
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。 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。
• Non-Uniform Meshes
•
使用时机：大部分状况，建议采用 Uniform Meshes。如果是 ExterMeshes 减少网格数量
网格建立重点
• 尽量采用 Uniform Meshes 格式。网格的 Aspect Ratios 尽量趋近於 1（正立方体）。Aspect Ratio 建议不要超 过 3.0；如果是采用 Non-Uniform Mesh 格式时，相邻 的网格尺寸比例建议不要超过 1.25。 • 在流场越紊乱（压力梯度变化较大）的区域，尽量采 用 Uniform Meshes。 • 如果分析中包括表面张力计算，在表面区域尽量采用 Uniform Meshes。
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。 • STL • UNV • Other meshes • 操作
STL（stereolithography ）format
• 选择 Open
网格切割注意事项