《FLOW3D填充分析文档资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FLOW3D填充分析文档资料（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章、第二章、FLOW-3D 铸造铸造充填分析充填分析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。STLUNVOther meshes操作STL（stereolithography ）format大部分的
2、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 (Cartesian coordinate system)。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（Normal vector）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
3、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)Normal VectorI-DEAS Universal FileFLOW-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
4、，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 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 档加入加入 STL 档档FLOW-3D 没有限制没有限制 STL 档的数量，如档的数量，如果需要加入多个果需要加入多个 STL 档，可以重
5、复加入档，可以重复加入Geometry file(s) 几何图档设定变更物件单位及变更物件单位及图档类型图档类型单位转换单位转换变更类型变更类型实体实体孔孔组件组件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。1 mm = 0.1 cm，因此单位转换时 Global magnitude 必须填入 0.1。Component Type 物件类别SolidHoleComplement2.2、网格建立网格基本设定Uniform Mesh
6、esNon-Uniform Meshes网格建立重点Multi-Block Meshes操作：建立网格网格基本设定Uniform MeshesNon-Uniform Meshes使用时机：大部分状况，建议采用使用时机：大部分状况，建议采用 Uniform Meshes。如果是。如果是 External Flow 的案例，再利用的案例，再利用 Non-Uniform Meshes 减少网格数量减少网格数量网格建立重点尽量采用尽量采用 Uniform Meshes 格式。网格的格式。网格的 Aspect Ratios 尽量趋近於尽量趋近於 1（正立方体）。（正立方体）。Aspect Ratio 建
7、议不要超建议不要超过过 3.0；如果是采用；如果是采用 Non-Uniform Mesh 格式时，相邻格式时，相邻的网格尺寸比例建议不要超过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如果分析中包括表面张力计算，在表面区域尽量采用 Uniform Meshes。Multi-Block MeshesFLOW-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
8、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。Multi-Block MeshesConnected接续式网格区块接续式网格区块Nested巢式网格区块巢式网格区块Multi-Block Meshes 应用网格区块可同时存在网格区块可同时存在 Nested 及及 Connected 格式格式发生发生部分重叠部分重叠，这样的，这样的网格区块无法使用网格区块无法使用部分重叠部分重叠Multi-Block M
9、eshes 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 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：建立网格显示网格显示网格隐藏网格隐藏网格切换成圆柱座标切换成圆柱座标增加网格区块增加网格区块网格区块资讯网格区块资讯网格区块的调整新增网格区块删除网
10、格区块自动切割网格调整网格区块调整网格区块网格资讯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常用指令Mesh adjustment以鼠标调整网格大小以鼠标调整网格大小步距大小可调整不同的数值步距大小可调整不同的数值Auto Mesh & Mesh Info可指定网格总数量，或者是可指定网格总数量，或者是指定网格尺寸大小指定网格尺寸大小程式会根据指定的条件，在程式会根据指定的条件，在 X,Y,Z 三方向进行网格切割三方向进行网格切割真实网格数量真实网格数量以 FAVOR 检视网格建立状况在网
11、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
12、行网格建立，尽可能采用 Linked Blocks。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，一旦到达为最高判断原则，一旦到达 Finish Time，程式会强迫停止。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）。操作：指定分析条件指定分析停
13、止条件指定分析停止条件 - Fill FractionFill Fraction=1 - 模穴填满率达模穴填满率达 100%才停止才停止由於由於 Finish Time Finish Time 到达时，程式也会停止计算；到达时，程式也会停止计算；因此将此数值加大，确保程式会以因此将此数值加大，确保程式会以 Fill Fraction 作为停作为停止条件。止条件。完成时间完成时间填充率填充率模穴填满率模穴填满率跟踪的接口跟踪的接口充填方式文件类型充填方式文件类型版本选项版本选项流体的数目流体的数目不压缩不压缩不用帮助不用帮助提供建议提供建议提供建议，并采取行动提供建议，并采取行动压缩压缩自由表面
14、或尖锐的接自由表面或尖锐的接口口没有锋利的界面没有锋利的界面非物质的瞬间非物质的瞬间 处理器数目处理器数目导师选取项导师选取项单位单位模拟单位模拟单位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（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）。FLOW-3D 內建材料之資訊FLOW-3D 內建材
15、料之資訊操作：选择成形材料選擇材料時必須指定單位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(wei)流Air Entrainment（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（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
16、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(被动） 计算；而後者则是称为 Active （主动）计算。Air Entrainment models填入表面张力系数并不会启动表面张力模型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。体表面的力平衡，以决定卷入的空气量。卷气率系数卷气率系数开启模型自定义卷气模式开
17、启模型自定义卷气模式Active:主动主动;自动自动空气密度值空气密度值在在 Active 模式需要计算空气卷入量对於流体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。一密度的影响时，才需要填入空气密度值。一般计算（般计算（Passive）不需要填入此数值。）不需要填入此数值。表面张力系数表面张力系数Defect Tracking（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（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
18、測金屬氧化膜的生成位置以及集中區域。Defect Tracking 的数据为相对数值，如果的数据为相对数值，如果有实验，可以叁考实验数据给定资料；有实验，可以叁考实验数据给定资料；也可以给定一正整数，叁考其显示之也可以给定一正整数，叁考其显示之位置。位置。跟踪多余的表面和跟踪多余的表面和/或流体气泡缺陷氧或流体气泡缺陷氧化层生成速率化层生成速率Density EvaluationFLOW-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
19、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。重力单位为重力单位为 CGSHeat Transfer（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（internal Energy）计算方式系采用 1st-order upwind differencing method 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（buoyant flows ）温度可能会随着流
20、体密度变化的状况，才需要开启二阶计算。流体内能平流流体内能平流没有传热模型没有传热模型第一顺序第一顺序 第二次保存第二次保存 Heat Transfer and Conduction in ComponentsUniform component temperatures所有的物件会被当作是 Lumped temperature body （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 * Specific Heat 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, constant temper
21、ature 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。Heat Transfer and Conduction in ComponentsFull energy equation热传计算包含整个物件，因此固体部分的 Thermal Conductivity 和 Density*Specific Heat 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。Heat transfer为了缩短计算时间，使用者可以采为了缩短计算时间，使用者可以采用 Firs
22、t order / Uniform component temperatures （此时假设模具温度为（此时假设模具温度为等温，程式不计算模具内的温度分等温，程式不计算模具内的温度分布）布）FLOW-3D V9.2 以後的版本针对此以後的版本针对此设定以及未开启热传分析的专案会设定以及未开启热传分析的专案会自动启动自动启动 Active Mesh 设定，可大设定，可大幅度的缩短分析时间。幅度的缩短分析时间。流体固体热转移流体固体热转移 Solidification当启动固化模型（Solidification Model），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
23、的潜热（latent heat）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 Specific Energy Tables （Fluids Solidification Properties Specific Energy Tables ）的方式定义潜热释放为温度相关的方程式。Solidification options充填阶段仅需开启固化（程式会考充填阶段仅需开启固化（程式会考虑相变化造成的凝固）虑相变化造成的凝固）单纯进行充填仿真时，仅需开启单纯进行充填仿真时，仅需开启 Activate solidification，其馀选，其馀选项维持初始设定即可。项维
24、持初始设定即可。Viscosity and turbulence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（Newtonian Fluid）与非牛顿流体（Non-Newtonian Fluid）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（Laminar flow），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（Turbulence Flow）。层流与紊流的差别可以用雷诺述加以量话。雷
25、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 Re2300 為層流狀態，Re 4000 為亂流狀態，Re23004000為過渡狀態。Viscosity and turbulance一般铸造制程，建议选用一般铸造制程，建议选用 Turbulent / RNG modelTurbulent mixing length 不需要填入不需要填入数值。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
26、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/Solids Database不同的成形金属对应不同的模具材料，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必须填入不同的热传递系数填入成形时的模具温度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
27、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-Inertial RF 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。叁考数据充填速度充填速度m/sec鋁鋁20-60鋅鋅30-50鎂鎂40-90黃銅黃銅
28、20-50内浇口面积内浇口面积 A1内浇口速度内浇口速度 V1柱塞头面积柱塞头面积 A2柱塞头速度柱塞头速度 V2A1*V1 = A2*V2V2 = A1*V1/A2V2 为边界条件之速度值为边界条件之速度值（单位必须换算为（单位必须换算为 CGS制）制）操作：指定边界条件成形温度成形温度填入温度（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 = 1.013 e6。温度部分则是必须以 K 作为换算。摄氏单位必须加上 273.15 才是凯氏单
29、位。举例而言，20 度的室温 = 293.15 K。操作：设定初始条件Void 指的是空孔的区域。金属未指的是空孔的区域。金属未充填前，整个模穴的区域为充填前，整个模穴的区域为 Void。2.9、输出设定FLOW-3D 的输出资料是以时间作为单位。如果使用者没有指定输出时间，程式预设值会根据填满百分比输出 10 张图片。建议使用者先大概估算一下需要填满的时间，再设定输出图片的时间间隔。如果时间间格设定太短，输出的资料量可能非常大，使用者可以指定某些特别重要的物理量以较短的间隔输出，其馀的则是以预设值输出。Output程式预设值每填满程式预设值每填满 10% 会输出一张图会输出一张图如果在此处填
30、入时间间隔，例如如果在此处填入时间间隔，例如 0.01，则每，则每隔隔 0.01 秒所有的资料都会纪录一笔秒所有的资料都会纪录一笔如果担心输出资料过多，左如果担心输出资料过多，左侧的侧的 Restart data 内可以内可以保持空白，在此处填入较保持空白，在此处填入较短的时间间隔（同时选取短的时间间隔（同时选取特定物理量）。特定物理量）。如果以 Selected data 输出除了选择的四笔资料以除了选择的四笔资料以 0.01 sec 的间隔输出的间隔输出资料，其他的均以填满百分比资料，其他的均以填满百分比 10% 的速度输的速度输出（其馀资料仅会输出出（其馀资料仅会输出 10 张）张）操作
31、：输出资料设定所有的资料都会以时间间隔所有的资料都会以时间间隔 0.01 秒的方式记录，资料量会秒的方式记录，资料量会增加许多。增加许多。2.10、数值设定FLOW-3D 的数值设定会影响分析的时间。此处建议使用者按照讲义内的数值进行设定以及选择（案例中的设定是一般应用於铸造领域的设定方式）。各项数据的调整对於分析结果的影响可以叁考原厂使用者手册。操作：数值条件设定执行第一组分析按照前述顺序完成设定後，先以Preview检查分析模型设定是否有问题，再执行Simulate分析。由於 FLOW-3D 资料量较大，使用者於分析前请先确认硬盘空间足够。PreviewTotal cells：60194Active cells：20946模型总网格数量为模型总网格数量为 60194，流体，流体实际通过的网格数量为实际通过的网格数量为 20946。SimulatePreview 没有问题後，直接执行没有问题後，直接执行 Simulate 启动分析启动分析
