CAE介绍

8.4 壓鑄模具CAE分析現階段壓鑄業運用電腦工程(CAE)系統的主要目的乃在於冷卻凝固分析方面，藉著冷卻凝固的分析以偵測鑄件的高溫區，進而預測縮孔等缺失。

而流動與充填的主要用來預測鑄件的缺失，然而缺失多偏重於鑄件的表面品質，如流紋(flow line)、冷接紋(Cold Shut)及充填不完全等。

所以－理想電腦輔助壓鑄模具設計系統應涵蓋下列幾項：(1)壓鑄件的流動系統模擬。

(2)壓鑄件的熱傳、凝固系統模擬。

(3)壓鑄模具系統的熱傳與噴塗效應分析。

(4)壓鑄模具系統的應力分析。

(5)壓鑄模具系統的冷卻水管位置分析。

(6)壓鑄件的微觀結構分析。

(7)壓鑄模具的澆口及澆道位置與尺寸分析。

(8)逃氣道及溢流井的設計分析。

然而壓鑄的流動分析屬於紊流範圍，電腦的解析在此方面尚待加強。

一般常用的技巧有Marker & Cell (MAC), Simplified Marker & Cell (SMAC)與SOLA-VOF等解析的技巧。

壓鑄的流動尚涉及自由表面及移動邊界的觀念，所以想借重電腦得到精確的結論就更不容易了，較先進的電腦工程分析系統發展逐漸擴展到涵蓋上述的八個子項。

但多數的電腦系統尚僅限於熱傳、凝固方面的分析。

8.4.1 壓鑄電腦模擬CAE介紹一般電腦模擬數值分析技巧均採用有限元素法(FEM)或有限差分法(FDM)為基礎。

FEM對於一般鑄件或模具幾何形狀的掌握較為容易。

FDM則較節省電腦的計算時間與容量，各有優點。

目前市面上所用的電腦軟體，不論FDM或是FEM總不外乎下列的幾項步驟：(1)幾何模型的建立。

(2)分析網格的建立。

(3)電腦模擬計算。

(4)結果的顯示。

除上述的主要步驟之外，一個共同的資料庫提供模擬時所需的材料的性質及模擬所需的各常係數等是非常的重要。

下面將對各電腦軟體的特性及參考下列的步驟介紹各商用軟體的功能。

1 A FS凝固模擬軟體AFS凝固模擬軟體系統是由美國鑄造協會所發展。

其主要模擬與計算對象針對鑄件熱傳及溶湯凝固方面，目前系統可模擬三度空間的鑄件凝固過程。

(1) 幾何模型建構此模組類似一個CAD系統，使用者可透過此模組以建立所需模擬工作的幾何形狀。

除此之外，此系統也可以從其他的CAD系統載入DXF,IGES與STL格式的資料。

而網格的結構產生也很迅速，使用者僅須指明網格的數目，或結點的數目，則軟體可以自動完成此工作。

(2) 模擬系統模組A. 概算模擬此為最低程度的模擬，以提供大方向參考及省時為原則。

此層次的模擬主要係根據幾何形狀的面積與體積資料，做一簡單的推算。

僅適用於給使用者，做一個粗略的參考。

B. 熱傳方面的模擬根據鑄件與模壁介面的狀況計算熱的狀況及傳導損失等以推測鑄件凝固的效應。

C. 縮孔效應的模擬本項模擬就是根據上述熱傳模擬或概算模擬的結果，並考慮熔湯最後凝固時的位置以預測鑄件凝固時縮孔。

D. 熱電偶模擬AFS軟體可以模擬16個定點的溫度，並且以時間對溫度作圖表示。

(3) 結果顯示模組有關鑄件凝固的模擬，我們很容易瞭解到其結果與溫度、時間有相當大的關聯。

一般模擬結果有下列數項：(A)鑄件的凝固時間。

(B)鑄件及模具的溫度場。

(C)凝固效應的溫度梯度。

(D)凝固時的冷卻速度。

(E)溫度梯度與冷卻速度的合併指標。

(F)熱點。

(4) 鑄造合金、模具的基本特性資料庫此軟體可以貯存400種合金與400種模具相關材料的資料。

使用者也可以自行修正或增加資料庫中的參數。

AFS有一完整的表，貯存了熱傳常係數，提供使用者在模擬時選用。

2 E KK模擬軟體EKK模擬軟體創始人原係GM公司的軟體設計工程師後來自立門戶此公司。

EKK的軟體有三個主要的模組，分別負責網格的產生，熱傳模擬與流體充填模擬的工作，EKK是以FEM為基礎從事電腦的模擬，除了一般凝固，充填模擬外，對於料管內金屬流動也有做簡單的模擬。

(1) 網格產生模擬(AMESH)此模組包含前處理、後處理及其他CAD系統的資料傳輸。

EKK是以FEM為基礎，所以對於鑄件或模具的幾何形狀可以做精確的掌握。

(2) 熱傳與凝固模組(CAP)此模組處理凝固與熱傳方面的問題，但有不同解析技巧，CAP係以熱傳的觀念為出發，再加上熔解潛熱的觀念，使得CAP可以較精確的處理熱傳問題。

(3) 流體充填分析模組(WRAFTS)此模組主要用來模擬三維的瞬時擾流狀態流體移動的情形，本模組可用來判斷澆口的位置，澆口流動的速度及逃氣道的位置等，分析此模組主要是以解析三維的Navior-Strokes Eq.為主。

3 M agma模擬軟體德國Aachen工業大學及丹麥Copenhagen工業大學與MAGMA公司共同發展三維鑄造用模擬軟體用於解析鑄造製程中流動充填、冷卻及凝固過程。

此項軟體發展以FDM為主，另有FEM用於模具應力應變解析方面。

該軟體的模組介紹如下：(1) 計劃管理模組此項模組主要的功能在於處理及貯存不同的計劃或更新所執行計畫的檔案。

(2) 前處理模組Magma軟體的優點之一，在於完備的CAD的系統，雖然此CAD系統不如主要工程CAD系統等來的完善，然而以鑄件所需CAD的系統要求而言，此Mini-CAD系統可說是相當完善。

其系統可以根據一般圓形，多邊形與矩形建立基本的工作或模具幾何形狀，同時也有旋轉、延伸等功能。

(3) 網格產生模組Magma均是以FDM為基礎的，所以網格的產生或修正也相對較容易些。

使用者可以根據Ｘ，Ｙ，Ｚ軸選定網格的參數，譬如網格的大小厚度及精確程度等，至於網格數目的多寡視電腦記憶體容量的大小而定。

(4) 模擬執行模組A. 熱傳與凝固模組利用內建的合金模具材料的熱物理性能及使用者所輸入的初始溫度、速度等資料進行模擬。

Magma宣稱此軟體考慮因溫度變化引起的金屬收縮的影響，如此可以對凝固縮孔做較正確的預測。

此軟體使用溫度梯度、冷卻率、凝固時間及Niyama等指標做為凝固結果的標示。

B. 流動與充填模組提供使用者對金屬流動充填及其所引起溫度效應的分析。

此軟體只能做到類似層流的模擬，紊流方面的模擬尚待努力。

(5) 模擬時所需金屬與模具材料的熱物性質資料庫模組此模具主要貯存模擬時所需一般合金或模具的熱物性及其它資料，其中包含密度、熱傳係數、比熱及黏度等資料。

(6) 後處理顯示模組此模組僅是將模擬的結果顯示出來，使用者可以檢視不同的凝固與充填各項階段瞬時資料，亦可從不同角度、層次做詳細的分析。

4. ProCast模擬軟體此軟體由美國UES發展而成，是以FEM為基礎解析熱傳、流力與應力方面的問題，裝置在PC及工作站電腦上。

此系統並沒有自己的CAD系統，必須從一般商用CAD的系統輸入相關的資料。

此軟體相關模組介紹如下：(1) 網格產生模組ProCast必須與其它的CAD界面以輸入CAD資料，而後根據輸入資料從事模擬所需網格的建立。

也可以直接輸入已完成網格產生的資料，而不必透過ProCast再處理。

其透過IGES規格或Unigraphics的Parasolid規格作為CAD界面。

(2) 熱傳分析模組此模組根據熱傳導的基本形態，即傳導，對流，輻射等熱流觀念再加上相變與內能變化等處理熱傳問題。

此模組基本上分析非線性、瞬態熱傳問題加以焓(Enthalpy)公式處理相變的問題，有關鑄件與模具間的熱傳常數等均可以由使用者根據時間或溫度而變化。

(3) 流動分析模組本模組以解Navier-Stokes Eq.為主，並以VOF的技巧以尋求解析結果的準確性。

(4) 應力分析模組此模組主要分析因熱變化而引起的應力分析狀況，此項模組可以用來探討模具疲勞損害的預測。

殘留應力在鑄件中的分佈等情況。

ProCast係以FEM為基礎，所以處理此方面較為容易，由模擬計算所得的溫度可以直接應用到FEM應力方面的研究。

(5) 金相組織分析模組此模組在整體的材料科學上係較新的一門學問，ProCast宣稱他們已經有能力做鐵一碳系統的模擬。

理論上而言，此模組應可對不同的材料做組織的預測。

(6) 模擬常數計算模組此模組主要是用來計算邊界條件或鑄件與模具邊界的熱物性常數。

因為電腦模擬在鑄造應用上的歷史相當的有限，所以很多模擬所需的常係數並不完善。

常常此係數是根據發表實驗的數值計算而來。

然而在實驗中取樣的方式及工作的形狀均會影響到常係數的計算。

此模組則針對不同情況下，如欲計算邊界條件時，可運用此模組。

5. Flow-3D模擬軟體Flow-3D模擬軟體是由美國Los Alamos國家實驗室發展而出的結果。

此軟體著重在流體動力方面的研究，此軟體能模擬紊流的效果較其它的軟體要強，但對於凝固冷卻模擬是後來加入。

其基本的模組介紹如下：(1) 網格處理模組Flow-3D基本上是FDM的軟體，然而其網格產生的方式與一般的FDM方法稍有不同。

其利用獨特〝Favor〞方式處理網格的產生可省下很多時間，又可避免如FDM方式所產生方格疊加，對鑄件邊界所造成不連續的效果。

(2) 流動模擬模組此模組是解3D瞬時的Navior-Stokes eq.為主。

以VOF的技巧用來處理有關自由表面的問題。

(3) 熱傳模擬模組Flow-3D在此方面可以處理在流體與固體中傳導、對流等熱傳問題，除此之外冷卻、凝固及熔化等方面的課題亦能使用。

6. Rapid/Cast模擬軟體Rapid/Cast軟體是由美國CTC公司發展而成，是以解析3D瞬時流動、冷卻凝固及應力應變的FDM軟體。

其軟體的模組介如下：(1) 幾何模型建構模組：此模組可以透過ACIS實體模型資料建立模擬工作的幾何形狀。

Rapid/Cast是以FDM自動網格分割，做為模擬解析的依據。

另外有模具材質定義視窗專門處理鑄件與模具邊界條件問題。

(2) 模擬分析模組此模組是解決Bernoulli's eq.及Narier-Stokes eq.為主的FDM的流動模擬，並處理熱傳、凝固模擬等方面。

其有缺陷預測，包含有氣孔、冷紋及微金相組織等指標判斷。

(3) 應力應變模組此模組為其未來發展的方向，主要是解決模具的熱裂紋、熱龜裂及鑄件與模具的殘留應力方面之判斷。

7. Power Cast模擬軟體美國Technalysis公司係以流體動力為發展此軟體，是利用FEM方式來解析Navier-Stokes eq.的流體充填及凝固熱傳過程。

其基本模組如下：(1) 前處理模組Power Cast必須透過其它的CAD界面輸入實體模型資料，然後其資料再加上網格的建立。

也可以直接輸入已完成網格產生的資料而進行模擬工作。

而內含材料熱物性的資料庫提供模擬所需的邊界條件。

(2) 模擬分析模組此模組主要分析流動模擬過程及熱傳凝固結果，並提供有關熱侵蝕，縮孔等指標預測。

並可透過熱應力分析提供塑性應變及熱應變之資料。

(3) 後處理顯示模組此模組可以以不同層次做動態的結果顯示，以檢視各種不同階段的凝固與充填的過程，提供給使用者作詳細的分析。