01、FLOW-3D-V11介绍教学讲解课件.ppt

1、图形用户界面图形用户界面 FLOW-3D 铸造工程介绍TonyJanuary 1,2013FLOW-3D v11:Foundry Training1数值模拟操作流程PREPROCESSINGPREPROCESSINGCAD dataMAINPROCESSINGMAINPROCESSINGMaterial databasePOSTPROCESSINGPOSTPROCESSINGCriteria functionsStart:SimulationImport of CAD dataGeneration of simulation geometryDefinition of initial and

2、boundary conditionsEntry of material dataSimulation calculationCalculation of criteria functionsVisualization&evaluation of resultsEnd: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Simulation of a HPDC process with FLOW-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,geo

3、metry,physicalmodels,included objects)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 Model tTWTTtTTcTp,x,graddiv100ngradTTT RealityModelingSimulationProcessResultsVerification图形用户界面(Graphical User Interface)5FLOW-3D v11:Foundry Training主菜单6File 增加、删除、复制模拟文档和工作区（simulations 和wo

4、rkspaces）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-3D v11:Foundry Training四个选项7Simulation Manager Workspace 和 Simulation 架构&管理 运算模拟的控制界面Model Setup 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

5、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）Display 1D,2D,3D 显示FLOW-3D v11:Foundry Training模拟管理选项界面8DiagnosticsPortfolioQueueRun-time ControlsFLOW-3D v11:Foundry Training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 General settings Physical models Fluid properties Meshing&Geometry Output Numerics序依照客户的习惯FLOW-3D v11:F

6、oundry TrainingFLOW-3D v11:Hydraulics Training10Flowsight 后处理增加几何增加几何FLOW-3D 铸造工程介绍TonyFLOW-3D v11:Foundry Training11大纲术语-Components vs.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 Flux Surfaces History Probes Sampling Volumes12FLOW-3D v11:Foundry Training术语 Compone

7、nts vs.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：Solids Holes ComplementsGeometryComponent 1Component 2Component nSubcomponent 1Subcomponent 2Subcomponent n13FLOW-3D v11:Foundry Training高压铸造模拟Subcom

8、ponents 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-3D v11 Foundry TrainingSubcomponent 顺序是非常重要的!15subcomponent 类型可以定义为 Solid Hole: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

9、个 subcomponentSolidHoleSolidHoleFLOW-3D v11 Foundry TrainingComponent 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/Component 1SolidSubcomponent/Component 2SolidSubcomponent/Component 1SolidSubcomponent/Component 2FLOW-3D v11 Foundry TrainingHoles 和 Complements17SolidHole

10、Component 1Subcomponent 1:SolidSubcomponent 2:HoleComplementFLOW-3D v11 Foundry TrainingStereolithography(.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

11、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-3D v11 Foundry Training利用 MiniMagics 检查19安装：Start FLOW-3D v10.x Install MiniMagics运行：Start Materialise Software MiniMagics检查属性和诊断，查看是否有错误FLOW-3D v11 Foundry TrainingComponent 类型可以节省内存20若heat transfer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

12、算若heat transfer 传热物理模型没有激活：standard component 计算激活网格单元Domain Removing 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#of cells:541K Active#of cells:370KFLOW-3D v11 Foundry Training“Full energy equation”noticeable temperature changes of form,cores etc.during form f

13、illing(gravity casting with long casting times)solidification simulation(RESTART calculation after form simulation)option of hiding cells(“Domain removing”)“Heat transfer“传热模型的应用3D view inside a mould during solidification回答问题:“可以用 full energy equation 来 求解固体温度场(模具,型芯,)?”若需计算，则必须打开”full energy equat

14、ion”选项 若不需要计算区域，可利用“Domain removing“选项 若减少计算量，可利用“Maximum Thermal Penetration Depth”设定传热深度(快速而有效)Heating of the mouldduring solidificationFLOW-3D v11 Foundry Training附加功能：Baffles 和 Flux Surfaces22Baffle: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)Flux surface:baffle可以作为流量监测工具 必须是半透板或完全开放 记

15、录 flow rate,hydraulic energy,particle count,heat transfer 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-3D v11 Foundry Training附加功能:History Probes23History Probes 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 History Probes：History Probes 窗口：增加:类型：固定 依附于 GMO(w/or w/out r

16、otation)随着流体运动FLOW-3D v11 Foundry Training附加功能：Sampling Volumes24在空间内是一个矩形“shoe-box”的域数据可以在ProbeGeneral History Data 和 Text Output 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 History Probes：Sampling Volumes window:add:FLOW-3D v11 Foundry Training网格划分FLOW-3D 水利工程介绍25To

17、ny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&conform to open or blocked），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

18、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 Add a Mesh Block 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 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-3D v11 Foundry Training网格块术

19、语30grid line=单元分配器由FLOW-3D动态放置单元线mesh plane 1=在网格块中第一个网格线=z-min 范围=z-min 边界mesh plane 2=在Z轴方向用户指定的网格线cell size=相邻网格线间的距离 cell count=在网格面间单元数量 某一方向的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（Mesh Plane）可以在所需位置强制添加若引起差的纵横比，那么Cell sizes 和 counts 将被覆盖或重新调整FAVOR&网格解析度31Subcomponents 必须至少包

20、含一个网格交叉点必须至少包含一个网格交叉点在单元中心的角点将丢失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模拟是采用网格解析后几何图形指定网格面（Mesh Planes）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

21、面的单元间距 稳定性考虑优于其它！total cells in a directionrequested cell count on between two mesh planesrequested cell size on either side of a mesh plane33在嵌套块34增加Mesh Plane#2增加 Mesh Plane#3增加 Mesh Plane#2增加 Mesh Plane#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co

22、nform to volume 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!Mesh Information 单击右键Diagnostics Preprocessor Summary prpout.xxxx Search for mismatch*summary of open areas at inter-block boundaries*between blocks%difference open areas 1 3 9.07276E-032.81800E+01 2.81774E+01 2 3 1.90721E-022.2097

23、6E+01 2.21018E+01 2 4 2.75108E-032.80929E+01 2.80921E+01open area mismatch at inter-block boundaries of all blocksas%of total open area at these mesh boundaries=9.62663E-03*end of inter-block open area summary*FAVORize38FAVORize验证网格划分的品质可以检查网格是否存在问题可以检查网格是否存在问题 可以对比可以对比favor几何与几何与stl的是否存在失真情况的是否存在失真

24、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-3D v11 Foundry Training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

25、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Viscous boundary layersViscous boundary layers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oxide defectsw

26、ithin the casting3D visualization of surface defects 回答问题:“铸造过程中哪些物理模型可用来预测缺陷?”air entrainment air inclusions(bubbles)defect tracking(oxide defects)micro-porosity shrinkage holes cavitations solidification effects(cold cap,)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卷气主要是由于三个物理因素的作用产生:-紊流紊流turbulence造成自由液面的扰造

27、成自由液面的扰动动-重力重力gravity和表面张力和表面张力surface tension是是流体流体稳定的主要作用稳定的主要作用力力气体气体/流体的混合率流体的混合率Cair用来代表卷气量多用来代表卷气量多少少 k kE EL L gLgLE E)E EE Emax(0,max(0,E E E E2 2 R RC C1 1t tR RC Cu ut tC Cturbturbstabstabstabstabturbturbairairairairairair Air entrainment卷气卷气s s限制限制-无法模拟卷气气泡的大小无法模拟卷气气泡的大小Note:It is not nec

28、essary to use turbulence for this model 案例案例entrained airporosity in an aluminum die casting找出含气量找出含气量“高高”区域区域最易发生气孔缺陷的位置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，固体对象如果设为零，固体对象将为等温将为等温有几种热传系数固体与固体间固体与固体间固体与空气间固体与空气间流体与空气间流体与空气间流体与固体间流体与固体间“Full energy equation”noticeable

29、temperature changes of form,cores etc.during form filling(gravity casting with long casting times)solidification simulation(RESTART calculation after form simulation)option of hiding cells(“Domain removing”)“Heat transfer“传热模型的应用3D view inside a mould during solidification回答问题:“可以用 full energy equat

30、ion 来 求解固体温度场(模具,型芯,)?”若需计算，则必须打开”full energy equation”选项 若不需要计算区域，可利用“Domain removing“选项 若减少计算量，可利用“Maximum Thermal Penetration Depth”设定传热深度(快速而有效)Heating of the mouldduring solidification常用的换热系数表常用的换热系数表边界表面换热系数（W/mK）Flow-3D Cast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-

31、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-D heat penetr

32、ation solution)传热方程与热传影响层t8其中其中 为固体热扩散系数为固体热扩散系数=/(Cp)为固体的导热率为固体的导热率 Cp为固体密度为固体密度*固体的比固体的比热热t 为接触时间为接触时间 为热穿透深度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考虑整个模具 -400万激活网格万激活网格 -CPU:26 小时小时热影响深度为热影响深度为 5 mm -652,000 激活网格激活网格 -CPU:10 小时小时,效率提升效率提升 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(cavitation potential).差值越大代表腐蚀或

33、模具侵蚀越可能发生.Cavitation potential 数值最高的区域，通常是最可能发生模具侵蚀Die Erosion模具冲蚀表面缺陷追踪表面缺陷追踪:氧化物与残渣氧化物与残渣p 氧化物氧化物(Oxidation)和其它充填过程从金属液卷入的杂质，都会影响铸件和其它充填过程从金属液卷入的杂质，都会影响铸件品质。品质。p 缺陷追踪缺陷追踪(defect tracking)模型可能用来预测缺陷可能发生的区域模型可能用来预测缺陷可能发生的区域Figure 1:Maximum bending stress of an aluminum plate as a function of filling

34、 rate(from John Campbell).Figure 2:Micrograph of a crack surface of a motorcycle break pedal;reportedly,the pedal broke during a ride.表面缺陷追踪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性就越大.注意：

35、数值本身不具有任何含义，只是代表一个趋势注意：数值本身不具有任何含义，只是代表一个趋势C(x,t)-oxide film concentration;t time.0,0,1,1,t tRateRateC Cu ut tC Cat free surfacein the bulkRepresent entrained oxide with a volume concentrationCIn surface cells oxides are produced at a constant rateAluminum die casting likely location of defects案例当分析

36、结果时,找出缺陷的“集中”最易发生缺陷的位置.Magnesium die castingAluminum die casting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;3D visualization of air bubbles(HPDC process)Air bubbles duringfilling processfilling process withoutbubble model铸造背压

37、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00VVPP=1.4 for air绝热气泡Valve 排气 Valve 模型必须与 adiabatic bubble 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，为气体密度 A 为横截面积，C为损失

38、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1.225 kg/m3将冷却道定义为固体Temperature field of a mould(cycle calculation)inclusion of thetempering system“Thermal die cycling”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+）“Thermal die cycling“模具热循环模型的应用

39、第二节凝固与收缩 凝固缺陷 缩孔 Porosity 缩孔 Macro porosity 缩松 Micro-porositySolidification and Shrinkage凝固与收缩Cold cap3D visualization of temperature(Lost Foam Process)铸造充型及凝固过程，需打开“solidification model“凝固模型充型过程凝固模型的应用 FLOW-3D提供两种缩孔的模拟方式：-缩孔-缩松 两种模型都是假设金属密度是与凝固率呈线性关系:其中 rs 和 rl 分别是固相与液相的密度 两种模型都是基于热传分析 收缩是利用三维温度分布和

40、凝固率计算 这两种模型可以相互搭配使用 快速收缩模式假设流体没有流动 缩松可以和任何的流动与凝固模型一起使用凝固过程的缩孔现象lsfsfs)1(有几个不同的收缩阶段:I.在凝固开始阶段(solid coherency point)以下,重力为最重要的控制因素II.L稍后，收缩主要发生在枝晶间(interdendritic)流体，与重力无关III.当凝固率超过临界值，不考虑收缩效应.主要是利用临界与 coherency 凝固率来区别Rapid Shrinkage Model 快速收缩模式gsolidI.Feeding by gravity:min(Fs)FSCOcoolingliquidmush

41、yvery mushysolid凝固收缩:Steel Ingot 钢锭FSCO=0.15FSCR=0.67(default)FSCO=0.0FSCR=0.67FSCO=0.7FSCR=0.8Macroporosity 缩孔主要是用流体比率表示:F=1.0 完好铸件F FSCR.，计算缩松生成考虑金属体积模量:a-speed of sound in the solidifying metal,p0 intensification or initial pressure.当压力降到低于临界值，孔隙生成.增压将会降低孔隙的产生孔隙是以体积百分比的形式计算储存fsappls)(20A380 die casting缩松模型验证第三节.利用GMO移动模型物体移动:耦合运动 指定运动方式(移动速度)混合耦合与指定运动 可考虑六个自由度 移动 转动 固定移动或旋转轴可考虑多个移动对象可考虑弹性或非弹性碰撞只有固体可设为移动对象General Moving Objects(GMO)移动功能打开GMO移动模型案例：冷室与热室铸造