01、FLOW-3D-V11介绍教学讲解课件

图形用户界面FLOW-3D

铸造工程介绍TonyJanuary1,2013FLOW-3Dv11:FoundryTraining1数值模拟操作流程PREPROCESSINGPREPROCESSINGCADdataMAINPROCESSINGMAINPROCESSINGMaterialdatabasePOSTPROCESSINGPOSTPROCESSINGCriteriafunctionsStart:SimulationImportofCADdataGenerationofsimulationgeometryDefinitionofinitialandboundaryconditionsEntryofmaterialdataSimulationcalculationCalculationofcriteriafunctionsVisualization&evaluationofresultsEnd:Simulation• 首先:回答如下问题

“从模拟设定中了解什么?”

选择所需物理模型

定义初始及边界条件

协助决定最佳数值参数

如何产生网格及其信息SimulationofaHPDCprocesswithFLOW-3D铸造过程模拟• 始终认为:

“仿真分析是唯一接近实际实验一种方法!”

所采用的参数越准确，(mesh,geometry,physical

models,includedobjects)

所分析出来结果越接近实际–但相对分析计算所需时间越长

在可以接受的时间内得出更精确的结果

(“尽量简化模型，考虑主要物理过程”)铸造过程模拟ModelRealityModelingSimulationProcessResultsVerification图形用户界面(GraphicalUserInterface)5FLOW-3Dv11:FoundryTraining主菜单6File–增加、删除、复制模拟文档和工作区（simulations和workspaces）Diagnostics–预处理和求解的文本信息Preference–图形界面“外观和特征”显示开关Physics–物理模型开关Utilities–附带其它程序和软件更新设置Simulate–预处理和运算模拟!运算单个模拟依次运行多个模拟Materials–导入或转换材料库属性Help–用户手册和关于版本FLOW-3Dv11:FoundryTraining四个选项7SimulationManagerWorkspace和Simulation架构&管理运算模拟的控制界面ModelSetup建立prepin前处理文档几何建立和参数设置网格划分和边界条件初始条件物理模型和数值选项输出选项Analyze指定结果显示（图片、曲线、文本等）Display1D,2D,3D显示FLOW-3Dv11:FoundryTraining模拟管理选项界面8DiagnosticsPortfolioQueueRun-timeControlsFLOW-3Dv11:FoundryTraining建模选项界面9可视化建模图形界面提供六种选项完成设置GeneralsettingsPhysicalmodelsFluidpropertiesMeshing&GeometryOutputNumerics序依照客户的习惯FLOW-3Dv11:FoundryTrainingFLOW-3Dv11:HydraulicsTraining10Flowsight后处理增加几何FLOW-3D

铸造工程介绍TonyFLOW-3Dv11:FoundryTraining11大纲术语-Componentsvs.Subcomponents增加subcomponents原始几何体.stl文件Component类型不同类型可以节省内存Baffles测量数据输出FluxSurfacesHistoryProbesSamplingVolumes12FLOW-3Dv11:FoundryTraining术语–Componentsvs.SubcomponentsComponents

定义其subcomponents的属性Subcomponents定义其

components的形状Components

定义固体属性、表面属性、以及运动属性Component类型控制其物理模型Subcomponents

是真实的形状：

SolidsHolesComplementsGeometryComponent1Component2ComponentnSubcomponent1Subcomponent2Subcomponentn…13FLOW-3Dv11:FoundryTraining高压铸造模拟Subcomponents可以添加至新的或已存在的components下面确定哪以个subcomponent将要添加至component?相同的固体属性、表面属性或运动属性？相同的component!14红–冲头灰–水路蓝–模具FLOW-3Dv11FoundryTrainingSubcomponent顺序是非常重要的!15subcomponent类型可以定义为SolidHole:仅可以从现存的固体中去除材料Complement:.stl几何域=hole,其它域=solid仅仅.stl格式文件可以被定义为complements类型必须在component中把它设置为第一个subcomponentSolidHoleSolidHoleFLOW-3Dv11FoundryTrainingComponent顺序是非常重要的!16重叠Component固体域:Component属性：以先加载component为主SolidSubcomponent/Component1SolidSubcomponent/Component2SolidSubcomponent/Component1SolidSubcomponent/Component2FLOW-3Dv11FoundryTrainingHoles和Complements17SolidHoleComponent1Subcomponent1:SolidSubcomponent2:HoleComplementFLOW-3Dv11FoundryTrainingStereolithography(.stl)格式文件18Stereolithography格式定义每个三角形被称谓小平面小平面:3顶点和1单位法向向量平面间必须只有一个边相连必须形成一个完全封闭的壳体最佳：每个文件都是一个壳体必须检查.stl文件是否存在错误：三角面丢失法向向量错误三角面面积为零利用FLOW-3D工具检查：利用MiniMagics

检查，但无法修补文件利用pyADMesh

再检查，并修补文件若pyADMesh

不能修补文件，那么需要转至CAD修补并输出FLOW-3Dv11FoundryTraining利用MiniMagics检查19安装：Start>FLOW-3Dv10.x>InstallMiniMagics运行：Start>MaterialiseSoftware>MiniMagics检查属性和诊断，查看是否有错误FLOW-3Dv11FoundryTrainingComponent类型可以节省内存20若heattransfer传热物理模型没有激活：‘standard’components节省内存单元内为100%固体时，会关闭计算若heattransfer传热物理模型没有激活：‘standard’component计算激活网格单元DomainRemoving类型：无论是否打开传热模型，都关闭该域网格单元计算在后处理中作为固体处理，但不出现(不可见)可以放置在流体自由液面处：若流体接触到此域时会产生非真的效果！Total#ofcells:

~541K

Active#ofcells:~370KFLOW-3Dv11FoundryTrainingFluidtosolidheattransfer• “Fullenergyequation”

noticeabletemperature changesofform,coresetc. duringformfilling

(gravitycastingwithlong

castingtimes)

solidificationsimulation

(RESTARTcalculationafter formsimulation)

optionofhidingcells

(“Domainremoving”)“Heattransfer“传热模型的应用3Dviewinsideamouldduringsolidification•

回答问题:

“可以用fullenergyequation来

求解固体温度场(模具,型芯,…)?”

若需计算，则必须打开”fullenergyequation”选项

若不需要计算区域，可利用“Domainremoving“选项

若减少计算量，可利用

“MaximumThermal

PenetrationDepth”设定传热深度

(快速而有效)

Heatingofthemould

duringsolidificationFLOW-3Dv11FoundryTraining附加功能：Baffles和FluxSurfaces22Baffle:零厚度的形状固体(孔隙率=0),多孔介质,或完全开放(孔隙率=1)固体&半透板可以记录输出力(压力和剪力)Fluxsurface:baffle可以作为流量监测工具必须是半透板或完全开放记录flowrate,hydraulicenergy,particlecount,heattransfer可以产生示踪效果tracers(dye)形状：可以利用图元或STL图

形定义FLOW-3Dv11FoundryTraining附加功能:HistoryProbes23HistoryProbes测量&记录基于所选的物理模型的数据输出单元流体分数-F速度-u,v,w压力-p固定点-x,y,z更多Probes是零体积不影响流体流动定义HistoryProbes：HistoryProbes窗口：增加:类型：固定依附于GMO(w/orw/outrotation)随着流体运动FLOW-3Dv11FoundryTraining附加功能：SamplingVolumes24在空间内是一个矩形“shoe-box”的域数据可以在Probe>GeneralHistoryData

和TextOutput

获得在域内追踪数据：流体体积&流体质心域内所有固体上所受的合力和力矩(包括壁边界上)固体所受的压力&剪力x,y,z分力和合力域内粒子的数量定义HistoryProbes：SamplingVolumeswindow:add:FLOW-3Dv11FoundryTraining网格划分FLOW-3D

水利工程介绍25Tony内容26什么是一个网格块？划分网格步骤网格块术语增加网格块的方式设置网格面位置FLOW-3D如何产生网格对于单个网格块，最佳参数推荐值对于复合网格块（linked&nested&conformtoopenorblocked），最佳参数推荐值验证网格划分的品质（FAVORize）检查网格块信息什么是一个网格块？27网格块：是一个模型空间的矩形域，流体可以在域内流动由网格线细分网格块(单元面)单元是网格线间构成的体以单元和面为计算网格规格控制重要事情：计算点的位置相连计算点间的间距当插值计算时纵横比网格划分通常是模拟的一个最重要组成部分！一个好的网格划分可以让模拟顺利进行下去且结果准确一个差的网格划分可以使模拟无法进行下去且结果失真提供多种方式增加网格块28创建一个新的网格块：网格操作窗口:add:OR右键Mesh–Cartesian>AddaMeshBlock在树状栏中手动修改域的范围对现有的网格块，复制或拆分：对现有的某网格块单击右键：做一个复制网格块或拆分成多个网格块利用鼠标画一个网格域在Mesh菜单下Create(Ctrl+M)在屏幕拖动鼠标左键画出网格域网格划分步骤29定义几何FAVORize网格划分反复如上操作直至几何被解析出

导入CAD数据（几何设计）

网格划分 检查网格解析度（FAVORize） 根据经验原则检查纵横比是否符合FLOW-3Dv11FoundryTraining网格块术语30gridline=单元分配器由FLOW-3D动态放置单元线meshplane1 =在网格块中第一个网格线

=z-min范围

=z-min边界meshplane2=在Z轴方向用户指定的网格线cellsize=相邻网格线间的距离cellcount=在网格面间单元数量某一方向的单元数量在一个或多个网格块的单元总数量局部参数优先于全局参数网格面（MeshPlane）可以在所需位置强制添加若引起差的纵横比，那么Cellsizes和counts将被覆盖或重新调整FAVOR&网格解析度31Subcomponents必须至少包含一个网格交叉点在单元中心的角点将丢失体积和面积比例是两个网格线的交叉点计算的在每个单元和每个网格线中，仅允许存在一个表面模拟是采用网格解析后几何图形指定网格面（MeshPlanes）32选中现有网格面，单击右键尽可能少使用网格面解析平行轴的平坦的表面解析边解析角点仅当必要时使用Why???gateFLOW-3D

如何生成此种网格？利用以下的要求和网格生成算法，来产生网格线：在某个给定方向上的总单元数量在网格面间的单元数量网格面的单元间距稳定性考虑优于其它！totalcellsinadirectionrequestedcellcountonbetweentwomeshplanesrequestedcellsizeoneithersideofameshplane33在嵌套块34增加MeshPlane#2增加MeshPlane#3增加MeshPlane#2增加MeshPlane#3对于连接式网格块来说35经验原则与设置嵌套块相同网格块间可以考虑部分重叠！在红色的网格块增加网格面在绿色的网格块增加网格面需要2:1比值红色&绿色网格块的边完全贴合或部分重叠对于conformtovolume相符网格块来说，最佳推荐值36在减少计算量最好是2:1比值验证网格划分的品质FAVORize可视化!MeshInformation…单击右键Diagnostics>PreprocessorSummaryprpout.xxxx

Searchfor‘mismatch’**********************************************************summaryofopenareasatinter-blockboundaries***betweenblocks

%differenceopenareas 13

9.07276E-03 2.81800E+01 2.81774E+01 23

1.90721E-02 2.20976E+01 2.21018E+01 24

2.75108E-03 2.80929E+01 2.80921E+01openareamismatchatinter-blockboundariesofallblocksas%oftotalopenareaatthesemeshboundaries=9.62663E-03***endofinter-blockopenareasummary**********************************************************FAVORize38FAVORize验证网格划分的品质可以检查网格是否存在问题可以对比favor几何与stl的是否存在失真情况开放面积不匹配性开放面积不匹配:在一个内部边界（inter-block）处计算开放面积的差异度范例：一个圆柱物体，由两个网格块划分且采用不同解析度在网格交界面处几何形状差异度很大（如下图所示）这种突变可能会引起数值问题避免过大变化以防止此问题发生2:1为最佳推荐值!边界条件40FLOW-3D

铸造工程介绍TonyFLOW-3Dv11FoundryTraining编辑边界条件41每个网格块都有一个边界树字母代表边界类型点击字母并编辑某个边界流体或热量都无法穿越对称边界对称边界上剪应力为零可有效减少对称问题的计算量对称边界设定，需确认是否合乎物理现象。Symmetry对称边界流体无法穿过壁边界可以计算壁边界上的剪应力(需给定粘滞系数)可给定热源（温度或是功率）无法给定表面粗糙度(roughness)Wall壁边界Viscousboundarylayers速度边界条件可以为常数或随时间变化整个边界上速度变化为单调的(uniformly)利用挡板或实体挡板挡住边界定义出部分区域流速Velocity速度边界物理模型FLOW-3D

铸造工程介绍Tony45充填过程缺陷分析卷气表面缺陷传热 紊流模具侵蚀 背压几何性质水路热循环分析GMO模型第一节.铸造使用的物理模型oxidedefects

withinthecasting3Dvisualizationofsurfacedefects• 回答问题:

“铸造过程中哪些物理模型可用来预测缺陷?”

airentrainment

airinclusions(bubbles)

defecttracking

(oxidedefects)

micro-porosity

shrinkageholes

cavitations

solidificationeffects

(coldcap,…)

铸造缺陷模型的应用物理模型界面卷气主要是由于三个物理因素的作用产生: -紊流turbulence造成自由液面的扰动 -重力gravity和表面张力surfacetension是流体稳定的主要作用力气体/流体的混合率Cair用来代表卷气量多少aAirentrainment卷气s限制-无法模拟卷气气泡的大小Note:Itisnotnecessarytouseturbulenceforthismodel

案例entrainedairporosityinanaluminumdiecasting找出含气量“高”区域–最易发生气孔缺陷的位置传热模型固体不求解热传导方程在仿真过程模具温度为定值考虑固体的热传导必须给定固体对象密度与比热等物理参数如果设为零，固体对象将为等温有几种热传系数固体与固体间固体与空气间流体与空气间流体与固体间Fluidtosolidheattransfer• “Fullenergyequation”

noticeabletemperature changesofform,coresetc. duringformfilling

(gravitycastingwithlong

castingtimes)

solidificationsimulation

(RESTARTcalculationafter formsimulation)

optionofhidingcells

(“Domainremoving”)“Heattransfer“传热模型的应用3Dviewinsideamouldduringsolidification•

回答问题:

“可以用fullenergyequation来

求解固体温度场(模具,型芯,…)?”

若需计算，则必须打开”fullenergyequation”选项

若不需要计算区域，可利用“Domainremoving“选项

若减少计算量，可利用

“MaximumThermal

PenetrationDepth”设定传热深度

(快速而有效)

Heatingofthemould

duringsolidification常用的换热系数表边界表面换热系数（W/m²K）Flow-3DCast类型砂芯砂模1000砂型铸造常数砂模砂模1000砂型铸造常数铸件（固液态）砂模400-1000砂型铸造随温度变化铸铁（固液态）砂模400-1000铸铁重力铸造随温度变化金属模铸件（固液态）1000-2700低压铸造随温度变化金属模铸件（固液态）3000-7000高压铸造随温度变化金属模金属模3000金属型铸造常数金属模砂芯1000金属型铸造常数冷铁模具1000-1250砂型/金属型铸造常数保温/绝缘材料10-100砂型/金属型铸造常数空气冷却（不流动）75金属型铸造常数空气冷却（流动）400金属型铸造常数冷却液体介质h=Nu⋅kf

/D金属型铸造公式计算涂层薄870金属型铸造常数中620金属型铸造常数厚510金属型铸造常数导热涂层1630金属型铸造常数减少计算时间与内存基于半无穷域的一维热穿透解(1-Dheatpenetrationsolution)传热方程与热传影响层其中α

为固体热扩散系数α=κ/(ρCp)κ

为固体的导热率ρCp为固体密度*固体的比热t为接触时间δ

为热穿透深度比较有无设定热传影响层的热传方程计算考虑整个模具

-400万激活网格

-CPU:26小时热影响深度为5mm-652,000激活网格

-CPU:10小时,效率提升60%FLOW-3D

从流体局部压力和空化压力差值预测腐蚀发生的可能性(cavitationpotential).差值越大代表腐蚀或模具侵蚀越可能发生.Cavitationpotential数值最高的区域，通常是最可能发生模具侵蚀DieErosion模具冲蚀表面缺陷追踪:氧化物与残渣氧化物(Oxidation)和其它充填过程从金属液卷入的杂质，都会影响铸件品质。缺陷追踪(defecttracking)模型可能用来预测缺陷可能发生的区域Figure1:Maximumbendingstressofanaluminumplateasafunctionoffillingrate(fromJohnCampbell).Figure2:Micrographofacracksurfaceofamotorcyclebreakpedal;reportedly,thepedalbrokeduringaride.表面缺陷追踪氧化渣主要是基于金属与空气接触时间的长短。氧化模的生成率是固定且可以依据实际状况自由给定(>0.0).结果数值是代表表面缺陷发生的可能性，数值越大可能性就越大.注意：数值本身不具有任何含义，只是代表一个趋势 C(x,t)-oxidefilmconcentration; t–time.atfreesurfaceinthebulkRepresententrainedoxidewithavolumeconcentrationCInsurfacecellsoxidesareproducedataconstantrateAluminumdiecastinglikelylocationofdefects案例当分析结果时,找出缺陷的“集中”–最易发生缺陷的位置.MagnesiumdiecastingAluminumdiecasting粘度与紊流充填过程模具内的金属流动通常雷诺数较高(>20,000)，因此一般视为紊流流场在五种模式中，推荐使用RNG紊流模型RNG增加CPU的计算量基本上不超过20%，不过相对层流流场，通常需要较佳的网格密度或解析度去仿真紊流流场;3Dvisualizationofairbubbles(HPDCprocess)Airbubblesduring

fillingprocessfillingprocesswithout

bubblemodel铸造背压的应用模具内的空气受到金属挤压产生较大的压力，可能导致金属额外的流动阻力。在单一流体的铸造充填模拟过程中，可以利用bubble模型近似仿真空气对金属流动造成的阻力，不过事实上并没有真的去计算bubble内的空气流动行为。在与周围环境没有热或质量交换情况下气泡的压力变化可以用一个简单的体积函数表示:V0和P0是初始气泡的体积和压力g=1.4forair绝热气泡Valve排气Valve模型必须与adiabaticbubble一起使用，模型采用continuity和Bernoulli方程计算其中Pref是外部压力，p为气泡压力，ρ

为气体密度

A为横截面积，C为损失系数，Y为压缩因子其中损失系数的单位为[L3.5/M0.5].

损失系数是一个0到1.414，记住系数越大，损失越少对于孔而言，推荐值为0.8484，通常我们采用0.777，在标准压力和温度下压缩因子为1，空气的密度为1.225kg/m3将冷却道定义为固体Temperaturefieldofamould(cyclecalculation)inclusionofthe

temperingsystem• “Thermaldiecycling”可以得到更接近实际的初始模具温度场分布（经过数次充型+凝固+开模+喷离型剂+……）“Thermaldiecycling“模具热循环模型的应用第二节凝固与收缩凝固缺陷缩孔Porosity缩孔Macroporosity缩松

Micro-porositySolidificationandShrinkage凝固与收缩Coldcap3Dvisualizationoftemperature(LostFoamProcess)• 铸造充型及凝固过程，需打开“solidificationmodel“凝固模型充型过程凝固模型的应用FLOW