1、 FLOW-3D v11模具热循环训练课程模具热循环训练课程模具热循环模具热循环l在压铸制程中，模具会不断的打开/关闭。模具温度会受到金属充填/金属凝固/顶出接触空气/喷离型剂/合模再次充填，以及模具的冷却管设计，而造成模具温度分布不均的现象。l模具热循环分析可用来预测模具的温度分布，以及模具热点发生的位置。设计人员可藉由此结果判断水路的位置是否恰当。l使用者可以设定在N次循环后，模具的温度分布值。相关的物理参数相关的物理参数压铸过程中，模具会经过1.金属充填&凝固模具与金属液之间的热传递模具与金属液之间的热传递2.开模空气与模具之间的热空气与模具之间的热传递传递3.喷离型剂离型剂与模具之间的
2、热离型剂与模具之间的热传递传递4.合模空气与模具（覆盖离型剂）之间的热空气与模具（覆盖离型剂）之间的热传递传递5.再度充填另外，模具还包括另外，模具还包括水路与模具之间热水路与模具之间热传递传递成型金属： ADC 12成形金属温度：640 模具材料：SKD-61 (H-13)模具温度：150一次循环周期包括：案例一案例一 （采用模仁分析（采用模仁分析-考虑水冷）考虑水冷）图档准备必须分为两个部分：1. 模具图（定模和动模）2. 水路图转出STL格式Workspace & SimulationWorkspaceSimulationWorkspace：工作区分类Simulation：单一分析案例项
3、目目录建立的几个重点项目目录建立的几个重点l善用Workspace &Simulation，让分析人员对于资料的放置与检查更加容易lFLOW-3D仅支持英文与数字的目录名称，在定义Workspace与Simulation时要特别注意l如果可以，每次建立Simulation前，先建立Simulation的子目录，把相关的图档放置在Simulation子目录下，再进行项目建立customer_AM12301M12302M12301_Mcustomer_BM14237M14239M14238Metal_AlA223518A223519MA223519Metal_ZnZ33425Z33428Z3342
4、6. 左图是以客户名称作为管理，每个客户的分析项目放置在客户名称下。 右图则是以成形材料作为管理，每个成形项目的档案再放置于不同的目录下 FLOW-3D的Workspace & Simulation管理非常弹性，用户可以按照自己的需求进行建立。1.建立建立模拟案例模拟案例 与一般分析设定相同，档名必须采用英文或数字。2.模型模型建立建立FLOW-3D的每个分析项目（simulation），都会放置在不同的workspace下。即使分析完成后，只要点选这个simulation，之前所有的分析结果（包含分析过程）都可一次调出。FLOW-3D可以记录所有分析过的项目（只要资料不被删除）。另外，wor
5、kspace可以定义为自己熟悉的群组。项目建立后，点选Model Setup，进行建模设定模型模型建立建立步骤如下步骤如下 导入几何 网格划分 选取物理模型 全局设置 导入金属材质 导入固体材质，设置固体属性 水路设置 流体初始化 数据输出 数值选项2.1.1导入几何（动模和冷却道）导入几何（动模和冷却道）载入STL图档。设置单位换算设置单位换算 案例采用 CGS （cm g s）单位，而图单位为mm，因此整体缩小0.1倍 表示模具是固体2.1.2导入几何（定模和冷却道）导入几何（定模和冷却道） 载入STL图档，需要新建一个component，以区分动模和定模。设置单位换算设置单位换算 案例采
6、用 CGS （cm g s）单位，而图单位为mm，因此整体缩小0.1倍 表示模具是固体2.2 建立网格建立网格 网格调整时，将包含模仁部分 激活网格菜单 网格单元尺寸 网格计算域范围2.3 物理模型物理模型重力模型重力模型 案例采用 CGS （cm g s）单位，重力加速度数值由SI（m kg s） 9.8的放大100倍热热传递模型传递模型由于输出结果必须考虑模具热传导和热对流影响，因此必续打开Full energy equation计算。 Implicit隐式解可以加快求解时间凝固模型凝固模型 此时打开凝固模型，只是考虑液态和固态的金属与模具具有不同的对流换热系数。热循环模型热循环模型模拟模
7、拟10个个周期周期每个每个Cycle有有五五个步骤个步骤五步个步骤如下：1.充型+凝固+取件2.模具打开3. 喷离型剂6. 等待7. 模具闭合注意：1.第一个部分必须包含铸件在模具内所有时间，常包括充型+凝固+取件总和。2. 因为该模型计算原理是第一个部分计算时金属是在模具里，从第二部分开始，模具内不含金属1.工艺名称2.与模具接触的时间3.与模具的热传递系数4.与模具的接触温度1234 设置模拟停止条件：物理时间=次数*一次循环周期时间=10*20=200秒 给定单位系统： CGS & Celsius2.4. 全局设置全局设置2.5. 导入金属材质导入金属材质 选择相应的材料，并点击加载即可
8、 2.6. 导入模具材质导入模具材质 选择相应的材料，并点击加载即可 设定模具温度及热传递系数设定模具温度及热传递系数液态金属与模具之间的热传递系数固态金属与模具之间的热传递系数模具初始温度 设置稳态时水温和热传递系数 对流换热系数可以利用软件提供的计算器 算出数值为SI，需要换算为CGS制（数值*1000）2.7. 水冷设置水冷设置2.8. 流体初始条件流体初始条件激活初始条件菜单定义初始金属液填满型腔1.利用stl 定义初始化金属液2.在global进行单位转换3.设置初始金属液温度以以Favor检查模具及水路图检查模具及水路图2.9.数据输出数据输出 一般仅需输出最后一张温度场结果即可。
9、若需输出更多温度变化状况，需设置时间间隔，如以每1秒为单位，输出流体温度及模具温度。 为了可以判断模具达到稳态结果，需要在History data 设置时间间隔2.10.数值选项数值选项 给定初始时间步和最小时间步。 软件会根据收敛情况自动调节步长大小由于执行十个周期，所以图形会类似上图，有十个波。 下方为分析过程记录，包含输出分析所需时间3. 求解分析求解分析4. 载入结果载入结果和分析结果和分析结果软件提供两种后处理功能1.软件自带的后处理2.Flowsight 后处理4.1 软件自带后处理软件自带后处理 选择结果，并输出所需数据 软件可以输出文本/曲线/二维/三维模具稳态判据模具稳态判据
10、 从曲线判断当第九次周期时，模具温度变化相近，可视为稳态模具温度分布模具温度分布输出3D结果Iso-surface: complement of volume fractionColor variable: wall temperature模具剖面温度分布模具剖面温度分布可调整剖面位置根据时间变化输出2D模具温度输出模具温度输出 模具温度稳态时，此处温度过高，为热点的位置1.选择结果文件2.复选 selected 数据3.选择定模和动模的模温4.2 Flow sight 后处理后处理成型金属： ADC 12成形金属温度：630 模具材料：SKD-61 (H-13)模具温度：150镶嵌件材质：c
11、opper ，常温一次循环周期包括：案例二案例二 （采用模仁分析（采用模仁分析-考虑镶嵌件和分型面）考虑镶嵌件和分型面）图档准备必须分为两个部分：1. 模具图（定模和动模）2. 镶嵌件图1.建立建立模拟案例模拟案例 与一般分析设定相同，档名必须采用英文或数字。Thermal die cycle -core2.模型模型建立建立项目建立后，点选Model Setup，进行建模设定（1）2.1.1建立几何（镶嵌件）建立几何（镶嵌件）新建一个component 表示镶嵌件是固体22.1.2 建立几何（动模）建立几何（动模） 表示模具是固体需要新建一个component，以区分动模和定模。需要新建一个模
12、腔，去除材料。2.1.3 建立几何（定模）建立几何（定模） 表示模具是固体需要新建一个component，以区分动模和定模。3(3)00.1需要新建一个模腔，去除材料。00.042.2 建立网格建立网格 网格调整时，将包含模仁部分 激活网格菜单 网格单元尺寸 网格计算域范围2.3 物理模型物理模型重力模型重力模型 案例采用 SI（m kg s）单位，重力加速度数值是9.8热热传递模型传递模型由于输出结果必须考虑模具热传导和热对流影响，因此必续打开Full energy equation计算。 Implicit隐式解可以加快求解时间凝固模型凝固模型 此时打开凝固模型，只是考虑液态和固态的金属与模
13、具具有不同的对流换热系数。热循环模型热循环模型模拟模拟10个个周期周期每个每个Cycle有有两两个步骤个步骤两步个步骤如下：1.充型+凝固+取件2.模具打开注意：1.第一个部分必须包含铸件在模具内所有时间，常包括充型+凝固+取件总和。2. 因为该模型计算原理是第一个部分计算时金属是在模具里，从第二部分开始，模具内不含金属1.工艺名称2.与模具接触的时间3.与模具的热传递系数4.与模具的接触温度1234 设置模拟停止条件：物理时间=次数*一次循环周期时间=10*50=500秒 给定单位系统： SI & Celsius2.4. 全局设置全局设置2.5. 导入金属材质导入金属材质 选择相应的材料，并
14、点击加载即可 2.6.1导入嵌件材质导入嵌件材质 选择相应的材料，并点击加载即可 1. Core 选择 “copper”设定设定component 1 component 1 嵌件温度及热传递系数嵌件温度及热传递系数液态金属与嵌件之间的热传递系数固态金属与嵌件之间的热传递系数嵌件初始温度设定设定component 1 component 1 嵌件类型嵌件类型表示此固体为嵌件2.6.2导入模具材质导入模具材质 选择相应的材料，并点击加载即可 1. 模具选择 “H13”2. 选择“2”和“3”设定设定component 2&3 component 2&3 模具温度及热传递系数模具温度及热传递系数液
15、态金属与模具之间的热传递系数固态金属与模具之间的热传递系数模具初始温度设定设定component 2&3 component 2&3 考虑分型面影响考虑分型面影响表示考虑动模和定模的分型面影响2.7. 流体初始条件流体初始条件激活初始条件菜单定义初始金属液填满型腔1.利用limiter定义初始化金属液2.设置初始金属液温度以以Favor检查模具及金属液检查模具及金属液2.8.数据输出数据输出 一般仅需输出最后一张温度场结果即可。若需输出更多温度变化状况，需设置时间间隔，如以每2.5秒为单位，输出流体温度及模具温度。 为了可以判断模具达到稳态结果，需要在History data 设置时间间隔2.
16、9.数值选项数值选项 给定初始时间步和最小时间步。 软件会根据收敛情况自动调节步长大小由于执行十个周期，所以图形会类似上图，有十个波。 下方为分析过程记录，包含输出分析所需时间3. 求解分析求解分析4. 载入结果载入结果和分析结果和分析结果软件提供两种后处理功能1.软件自带的后处理2.Flowsight 后处理4.1 软件自带后处理软件自带后处理 选择结果，并输出所需数据 软件可以输出文本/曲线/二维/三维1.选择结果文件2.复选 selected 数据3.选择定模和动模和嵌件的模温4.2 Flow sight 后处理后处理Parting line 分型面影响分型面影响Core 嵌件嵌件成型金
17、属： ADC 12成形金属温度：670 模具材料：H-13模温：稳态模具温度模具+初始流体+高低速切换低速：0.3 m/sec高速：2 m/sec切换时刻：0.12 sec案例三案例三 （模具热循环模具热循环接续充型分析接续充型分析）模具热循环模具热循环-接续分析接续分析 一般充型分析，假设模具温度为等温。由于充型时间非常短，所以模具不等温的影响可以暂时忽略。 如果铸件尺寸较大，充型时间较长时，模具不等温的问题可能会影响到分析结果。因此可以先执行模具热循环计算，再将模具热循环结束时的模具温度作为初始条件，执行充型分析以及接续的凝固分析。1.接续分析接续分析增加Restart接续分析 充型设定请
18、参考一般充型分析prepin档。2.1 全局设置全局设置程序执行的停止判断设定为Finish time1.选择接续的结果2.选择接续时间（模具稳态时刻）3.选择reset time to zero表示从0时刻开始计时4.选择use solid temperatures only表示仅继承模具的温度场2.2 物理模型物理模型 关闭黑色区域模型 打开红色区域模型卷气模型卷气模型 此模型需要填入两个系数-卷气系数和表面张力系数 对于压铸而言，卷气系数建议值=0.05，表面张力系数的数值可以从材料手册查询气泡模型气泡模型 此模型是考虑背压问题，即型腔内空气压力与体积和排气流率有关 当不用此模型时，充型
19、过程型腔内空气压力被设置均一恒定压力值。 打开气泡模型，计算时间会加长。氧化渣模型氧化渣模型热热传递模型传递模型由于充型时间较短，与模具接触时间很短，模具传热层很小，因此可以忽略模具内的热传导，你可以使用 Non-Uniform component temperatures，这表示仅接续模具的温度场。 若不想简化处理，考虑模具的热传导，那么需打开Full energy equation计算。Implicit隐式解可以加快求解时间粘粘度度模型模型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2.3 网格调整网格调整2.4 边
20、界条件边界条件定义进口速度边界定义进口温度2.5 删除流体删除流体/增加流体增加流体定义初始流体Favor2.6 设置设置Valve排气排气2.7 设置资料输出设置资料输出FLOW-3D v11高压铸造高压铸造-压室分析训练课程压室分析训练课程压室内的冲头运动压室内的冲头运动l冷室压铸时，由于压室内并未完全填满融熔金属，因此在冲头运动时，会扰动内部的流体，造成金属含气量增加。l另外，高低速切换的位置，也会影响金属液的运动方式。冷室压铸冷室压铸-压室内的状况压室内的状况12341. 空气空气2. 浮渣浮渣3. 融熔金属融熔金属4. 激冷层（凝固层）激冷层（凝固层）当融熔金属尚未进入模具前，在压室
21、内就会因为与压室周边发生的热传以及与空气发生的氧化现象，在融熔金属融熔金属表面形成氧化层，在压室相邻处则形成凝固层。铝合金氧化渣的密度比铝合金的小，因此当压室内的金属推入模具时，氧化渣与残渣会沉入融熔金属内，一起进入模具。如何选择高速压射起点如何选择高速压射起点l压铸的基本特色之一是快速填充，在整个高速压射阶段，融熔金属以3060 m/sec的速度通过内浇口位置进入模具。此时融熔金属会包卷气体，在这种情况下可考虑让气孔分布在何处不影响关键位置。l由于模具的截面积远大于内浇口，当冲头速度不大于0.8m/sec时，融熔金属在模具内是以近似于层流的方式运动，这一阶段不会产生卷气。l从快速点直到充型结
22、束，融熔金属以紊流的方式运动，这一阶段是包卷气体的过程，也是铸件产生气孔阶段。GMOlGMO（General Moving Obstacle）是FLOW-3D内建的功能，主要是用来模拟流固耦合下的流体运动模式。l铸造仿真软件的基本功能，在于追踪熔融金属在模具内的充型以及热交换等物理现象。l然而，现有的铸造制程中，许多铸造制程会牵涉到移动的问题。不论是高压铸造料管内金属受到柱塞的推动影响，或者是离心铸造制程中旋转的影响，甚至是挤压铸造制程中模具运动行程对于成型的影响，都必须考虑到运动状态的计算。175finish第一段行程：第一段行程：175 mm175 mm （0.25 m/sec0.25 m
23、/sec）第二段行程：第二段行程：finishfinish （2 m/sec2 m/sec）第一段行程所需时间= 100/250 = 0.7 sec成型金属： ADC 12成形金属温度：700 模具材料：H-13初始模具温度均一：200模具+初始流体+压室低速：0.25 m/sec高速：2 m/sec切换时刻：0.7 sec案例四案例四 （压室充型分析）（压室充型分析）1.项目建立项目建立 点击“add new simulation”增加新案例分析 给定模拟名称和放置路径，建议路径要与STL图放在一个文件夹内 建好项目后，就可以建模参数设置项目建立后，点选ModelSetup，进行项目设定2.
24、模型模型建立建立 建模菜单共有六个子菜单模型模型建立建立步骤如下步骤如下 导入几何 网格划分 全局设置 选取物理模型 导入金属材质 导入固体材质，设置固体属性 水路设置 流体初始化 数据输出 数值选项2.1-1 导入模具导入模具 点击快捷图标，同时导入“铸件/渣包/浇道/排气道” 图档。图格式与比例图格式与比例原始图档为mm单位，转为CGS时必须采用0.1表示模具为固体表示模具为固体 正确的图档载入会如同上图，图档的外侧会以半透明的外框标示，表示加载的对象为complement。修改图的类型修改图的类型1正确的图档载入会如同上图，图档选择”Hole”表示去除材料。修改图的类型修改图的类型22.
25、1-2 建立冲头几何建立冲头几何 点击快捷图标，画“冲头” 图档。2.1-3 导入导入cooling channel 点击快捷图标，导入“冷却道” 图档。2.2 建立网格建立网格块块 建立网格块，然后给定的网格数量或网格尺寸在Mesh Cartesian处点选鼠标右键，选取Add a mesh block。或点击”+”增加网格块复合网格（复合网格（Conforming Mesh)复合网格目的是为了减少网格数量，以加快模拟计算时间本例采用conform mesh 进行设定网格块网格块-1（Conform to open volume) 12网格块网格块-2（Non-conform) 网格块网格块
26、-3（Non-conform) 2.3 全局设定全局设定Fill fraction:设定为1.0（Fill fraction：填满率）Fill fraction =1，代表程序执行至完全填满时会自动停止计算。2.4 物理模型物理模型卷气模型卷气模型 此模型需要填入两个系数-卷气系数和表面张力系数 对于压铸而言，卷气系数建议值=0.05，表面张力系数的数值可以从材料手册查询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surface tension是流体稳定的主要作用力气体/金属的混合率Cair用来代表卷气量多少 k kE E
27、L L gLgLE E) )E EE Emax(0,max(0, E E E E2 2 R RC C1 1t tR RC Cu ut tC Cturbturbstabstabstabstabturbturbairairairairairair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气泡模型气泡模型 此模型是考虑背压问题，即型腔内空气压力与体积和排气流率有关 当不用此模型时，充型过程型腔内空气压力被设置均一恒定压力值。 打开气泡模型，计算时间会加长。氧化渣计算主要是基于金属液面与空气接触时
28、间的长短。氧化渣可以依据实际状况自由给定(0.0).结果数值是代表夹渣和流痕缺陷发生的可能性，数值越大可能性就越大.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 concentrationIn surface cells oxides are produced at a constant rateHPDC(Mg alloys)氧化渣模型氧化渣模型重力模型重力模型 案
29、例采用 CGS （cm g s）单位，重力加速度数值由SI（m kg s） 9.8的放大100倍热热传递模型传递模型若不想简化处理，考虑模具的热传导，那么需打开Full energy equation计算+Maximum Thermal penetration depth。 Implicit隐式解可以加快求解时间GMO GMO 模型模型凝固模型凝固模型 此时打开凝固模型，考虑充型过程是否有缺料和局部过早凝固。考虑液态和固态的金属与模具具有不同的对流换热系数。粘粘度度模型模型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2.
30、5. 导入金属材质导入金属材质 选择相应的材料，并点击加载即可 2.6. 导入模具材质导入模具材质 选择相应的材料，并点击加载即可 设定模具和冲头温度及热传递系数设定模具和冲头温度及热传递系数液态金属与模具之间的热传递系数固态金属与模具之间的热传递系数模具初始温度2.7.1 设置冷却道设置冷却道2.7.2 设置加热道设置加热道2.7.3 设置加热道设置加热道2.8. GMO 冲头运动冲头运动2.9. 流体初始条件流体初始条件激活初始条件菜单定义初始金属液1.利用Fluid region定义初始化金属液，利用limiter 限制2.设置初始金属液温度以以Favor检查型腔及金属液检查型腔及金属液
31、若看到蓝色的金属液，请调整左上角的Transparency透明度2.10.加排气点加排气点 注意：点的坐标必须在型腔内部。 Valve loss coefficient 损失系数可以通过计算公式算出 若含有多个排气道，那么就要设置多个排气valves123：空气的密度A：排气道截面积C：通常等于0.5Y ：通常等于1.0其中损失系数的单位为 L3.5/M0.5损失系数计算公式损失系数计算公式2.11.数据输出数据输出 若需输出流场更多细节，设置更小间隔 常需要输出的数据有金属温度/速度/空气压力/固相率/氧化渣/卷气/模具温度等2.12. 数值选项数值选项 给定初始时间步和最小时间步。 软件会根据收敛情况自动调节步长大小
