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1、FLOW-3D V9.2 鑄造領域 上課講義(初階),Flow Science 公司簡介,1980年，由 Dr.C.W.Hirt 創立的Flow Science，於美國新墨西哥州 Alamos 成立，其目標是提供一套計算精確的 CFD（計算流體力學）軟體。1985年，FLOW-3D 商業版正式釋出。其特有的VOF（Volume of Fluid）計算技術，能夠提供極為真實且詳盡的自由液面（Free surface）流場資訊，在產品開發上可作為非常重要且可靠的參考依據。由於其精確而穩定的特性，20多年來，FLOW-3D 已受到如美國火箭實驗室、海軍、英國水利署、利物普大學、通用汽車及HP等等許多
2、重要研究單位與國際大廠的肯定。,FLOW-3D 的應用範圍,船舶設計 marine,噴墨頭設計 inkjet,氣體噴嘴設計 gas flows,水利工程 hydraulics,鍍膜 coating,鑄造 casting,燃料筒設計 fuel sloshing,家用產品設計 consumer products,VOF（Volume of Fluid）,1975 年，Dr.Hirt&Dr.Nichols 發表 VOF 技術1.定義流體的液面動作狀態2.追蹤流體液面流動時的變化3.定義流體流動時的邊界條件設定所有的 CFD軟體，關於自由液面的定義，均 Follow 此一準則。,FAVOR,利用 FA
3、VOR 技術，使曲面造型的 Model 也能夠順利的以矩形網格加以描述，使分析模型不會失真。,STL 圖檔,FLOW-3D 網格圖檔,FAVOR 對網格數量的影響,FLOW-3D 採用 FAVOR 技術，因此同樣的幾何造型（如下圖），FAVOR 僅需三個網格就可以描述得很精確，但是傳統的 FDM 技術必須以較多的網格數量才能夠達到相同的要求。,上課大綱,基本設定條件FLOW-3D 的基本操作介面簡介壓鑄模擬的設定方式充填模擬分析結果說明固化模擬熱應力模擬,FLOW-3D 目錄規劃,每一個分析案例，建立一個單獨的目錄目錄名稱以英文及數字定義執行分析前，目錄下放置兩個基本檔案prepin.*CAD
4、_Model.STL,PS:Prepin.*內僅有設定資料部分。因此一旦完成資料設定，即使圖檔更換也不會影響到分析。,prepin.*,FLOW-3D 分析時，所有的資料均定義在 prepin.*內。prepin.*的*可以寫成數字，也可以寫成英文。例如可以寫成：prepin.1211（12/11 做的分析）prepin.cae1（分析名稱為 cae1）prepin.brian（brian 做的分析）最原始的檔名，為 prepin.inp,CAD_Model.STL,FLOW-3D 接受的圖形格式為 STL 檔。大部分的 CAD 可以直接輸出 STL 檔。,圖檔輸出之小技巧,輸出圖檔時，使用者
5、可以將產品/流道/溢流井等分別輸出。FLOW-3D 接受多個 STL 輸入（只要彼此之間有相連接即可）。由於 Prepin.*檔一旦設定完成後，不會影響到圖檔的部分，因此可以直接套用。,圖檔的單位,在 CAD 繪圖時，往往會採用不同的單位進行繪製。在執行分析時，圖檔的單位會影響到分析的結果。轉出的 STL 檔為純數值，所以使用者在建立分析檔時必須確認自己的圖檔是 mm/cm/m or in/ft,標準的分析流程,輸入 CAD 圖檔,輸入成形條件GlobalPhysicsPros,建立邊界條件,給定初始條件,Preview,Simulation,Results,建立網格,FLOW-3D 壓鑄模擬
6、充填模擬,圖檔造型,充填速度：0.5m/sec,成形金屬：Al 356成形溫度：650 模具：不銹鋼,Air（與外界相通，一大氣壓）,圖檔格式：STL（以 mm 繪製）,135mm X 117mm X 50mm,步驟一、讀入圖檔，建立幾何,切換至Model Setup/Meshing&Geometry,讀入圖檔,幾何輸入視窗,1,2,3,按照順序將圖檔讀入,Transform 設定（調整圖檔比例）,Solid/Hole/Complement,Complement=幾何外圍設定為 Solid，幾何本體設定為 Hole,幾何圖檔,Complement,準備充填的模穴位置,Global Magnif
7、ication,由於一般 CAD 繪圖時的單位不盡相同，在轉入 FLOW3D 時可以利用 Global Magnification 做單位換算。Example：,圖檔讀入完成！,檢視圖檔,滑鼠左鍵：3D 旋轉滑鼠中鍵：放大/縮小滑鼠右鍵：平移,局部放大,Fit to Screen,步驟二、建立網格,利用Adjust Mesh Block進行網格的大小調整。網格的區域必須將模穴的部分完全包覆，但是在進料的位置需要讓模穴位置稍微凸出網格範圍。,調整網格大小,可以調整Step的數值，讓網格調整的大小可以做微幅調整。,建立網格重點：,網格不要將模穴完全包覆，必須把進料的位置稍微留一些區域,設定網格數量
8、,使用者可以自行調整 X,Y,Z 的網格切割數量，不過也可以利用Auto Mesh進行網格建立。利用Auto Mesh可以快速的完成網格建立。,Auto Mesh,直接輸入網格總數量，程式會自動切割 X,Y,Z 的網格數量。,取邊界長度的百分比作為切割。例如：X 長度為 10,此位置輸入 0.1 時，X 方向會切割為 100 格。,小技巧,建議使用：以總數量設定做網格定義。,雖然程式接受 X,Y,Z 方向以不同的網格大小做切割，但是當網格的 Aspect Ratio 太高時，容易發生計算不收斂。而以總網格數量定義時，切割的網格大小比例一律相同，在計算上比較沒有收斂的問題。測試案例一可以先輸入
9、100,000 個網格做設定,網格數量自動分割,67 X 57 X 26=99,294約為 10 萬個網格,網格建立完成！,檢視切割的網格狀況-FAVOR,利用 FAVOR 檢視網格切割的狀況。如果覺得切割的不夠好，可以再調整網格數量，然後再以 FAVOR 檢視。,塗彩檢視網格狀況,如果 FAVOR 的結果合理，按下此按鍵,步驟三、一般條件設定,2,3,4,1,5,保持預設值,Finish Condition 分析條件設定(1,2),分析時間達到 1.0 秒時程式結束（即使模穴填滿，也會繼續充填到時間到達 1.0 秒）,模穴填滿時程式結束,Interface Tracking 邊界追蹤計算(3
10、),Free surface or sharp interface：流體為液體No sharp interface：流體為氣體,：壓鑄模擬設定,Number of fluids 流體數量(4),One fluid：單相體（空氣不算）Two fluids：兩相流,註：壓鑄模擬時，熔融金屬內可能會混雜空氣，這種流動方式仍然是以One fluid做設定,Flow modes(5),壓鑄設定：Incompressible 不可壓縮流體,步驟四、物理性質設定,Physics 設定方式,由於 FLOW-3D 可模擬的物理性質非常多，全部設定時分析時間將隨之增加。因此使用者可以根據需求決定哪些物理性質要模擬
11、。以下會以必須設定、非必須設定兩個類別進行說明,必須設定選項,缺陷追蹤,重力,熱傳,黏度,Defect Tracking 氧化膜追蹤,氧化膜追蹤分析時，Oxide generation rate 是一個相對值，因此先將數值設定為 1000。在分析結果中在以後處理的方式檢查氧化膜的位置。,Defect Prediction Examples,Gravity 重力方向,目前這個模型的重力方向是在 Y 軸，因此僅需在 Y 方向設定數值。數值與單位有關。,SI：9.8CGS：980,Heat transfer 熱傳,熱傳開啟時，流體的熱量就可以藉著與模穴表面的接觸而被帶走。一般常用的設定方式如左圖。F
12、irst order：一階熱傳Uniform component temperature：僅計算模壁與流體之間的熱傳導，不考慮模具本體的溫度分佈。如果要連水路設定對模具溫度的考量一併考慮，就必須選用Second order 以及 Full energy equation,Viscosity,壓鑄模擬時，流體的流動模式多半屬於紊流。在 FLOW-3D 內的紊流模型中，RNG Model 是最適合模擬壓鑄流動方式的紊流模型。但是在採用 RNG Model時，有下列幾點要注意：1.紊流計算時間耗費較久2.網格的精密度必須增加（增加網格數量），所以分析時間也會隨之增加因此，可以採用 Eddy Visc
13、osity 作分析，以縮短分析時間。,Eddy Viscosity Approach,eddy=rVL/2000eddy=eddy viscosityV=average inlet speedr=density,L=average inlet width,採用 Eddy Viscosity 模擬時，必須選擇Laminar層流。程式會根據流體的入口速度及入口尺寸大小計算。Eddy Viscosity Approach 的分析時間較 RNG Model 來的短，在一般壓鑄模擬時多半採用此黏度模型。,非必須設定選項,1,2,3,移動物件柱塞頭移動,固化模擬,模具熱循環,Air entrainment
14、,在鑄造過程中，金屬內可能會因為流動而混雜空氣。FLOW-3D 可針對混雜空氣的流體進行計算。計算模式分為兩種Passive：捲入金屬內的空氣量較少，不會影響金屬的密度，流動時不需計算空氣的捲入量Active：捲入金屬內的空氣在被加溫後會影響金屬的密度，進而影響其流動狀況，而且空氣會再從金屬內逃逸。一般壓鑄模擬僅需考量 Passive 的 Air entrainment 的狀況。但是如果鑄造時間較長（例如低壓或重力鑄造），或者是空氣混雜進入空氣內的狀況非常嚴重，Active 可以得到較準確的結果。,Passive-Air entrainment,Passive Air entrainment
15、僅需設定 Air entrainment,Air Entrainment Comparison:engine cover,A380courtesy Albany Chicago,entrained air,oxide film,Active-Air entrainment,除了 Air entrainment 設定外，還必須設定Density evaluation&Drift-flux,Bubbles&phase change model,金屬在流動過程中，空氣可能在金屬內形成氣泡，氣泡也是產生縮孔的原因之一。FLOW-3D 內可設定氣泡產生的模式。在鑄造製程中，則是選用 Adiabatic
16、model。另外，在流體設定以及初始條件設定內必須填入空氣對應的數值。,步驟五、選擇成形金屬,步驟六、設定模具材料,模具的初始溫度（K）,Tools/Solidbase 選擇材料,需要填入數值,步驟六、設定邊界條件,鑄造模擬時，可能會使用的邊界條件只有四種Pressure/Velocity/Wall/Symmetry,Boundaries Symmetry,邊界上沒有流體通過，也沒有剪應力產生。在適合的模型下，可利用 Symmetry 簡化計算。在分析結束後，可在後處理器打開 Symmetry Plane，即可 看到完整的分析模型。,Boundaries-Wall,邊界沒有流體通過可考慮熱傳(
17、於邊界指定溫度或者是功率)可考慮黏滯力(指定流體黏度),Boundaries Velocity,可輸入固定速度或者是隨著時間變化的速度條件通過邊界時是以均勻的速度通過,Boundaries Pressure,可輸入固定壓力或者是隨著時間變化的壓力條件通過邊界時是以均勻的壓力通過,Case1 的設定方法,除了 Y Max 數值必須改為 V 外，其餘保留 S註：如果已經填入模穴材料及溫度，此處可填入 Symmetry,Boundary-Velocity 設定細節,成形金屬的溫度（650=923.15 K）,步驟七、指定初始條件,初始條件包括了下列設定排氣位置模穴內初始壓力（一大氣壓）模穴內初始溫度
18、（空氣溫度）註：排氣位置,排氣設定,由於模穴內存在空氣，指定排氣位置會影響模穴內壓力對於充填的影響。如果是分模線排氣，可以用打點的方式在分模線位置設定排氣。設定排氣前，必須先找出排氣位置的座標。,排氣設定流程(step 4-1),先將之前設定為 Complement 的部分設定為 Solid,排氣設定流程(step 4-2),按 Shaft 鍵，同時按下滑鼠左鍵,排氣設定流程(step 4-3),將座標填入 Valve Pointer,填入排氣點座標,填入大氣壓力,排氣設定流程(step 4-4),設定完成後，務必記得將改成 Solid 的選項再改回 Complement,模穴內初始壓力與溫度
19、設定,模穴內初始壓力為一大氣壓模穴內初始空氣溫度為 20=293.15 K,步驟八、輸出資料設定,每隔 0.01 秒輸出一次結果,註：如果硬碟空間足夠的話，可以改以 0.005 或 0.001 秒輸出一次結果（當產品尺寸比較小時，模穴充填的速度非常快，0.01 秒可能已經填滿半個模穴）；一般設定為 0.001 秒輸出一次比較恰當。,步驟九、數值方法設定,在 FLOW-3D 中，可以採用多種數值方法進行求解。數值方法會跟模擬的案例為何而有所不同。在鑄造模擬時，建議採用下列兩種方法：SORGMRES,數值方法一：SOR,1,2,數值收斂設定-1,數值收斂設定-2,數值方法二：GMRES,1,2,收
20、斂設定與前相同,步驟十、開始執行分析！,1,2,Preview：檢查 Prepin 檔的設定有無問題Simulation：開始分析,Preview 檢視,9.2 版新功能網格切割數量：113,990Active Mesh 數量：51,794,Active Mesh：流體實際充填時需要計算的網格,FLOW-3D 壓鑄模擬分析結果,如何讀取分析結果,選擇Analyze選擇 flsgrf.dat 結果檔,設定一、塗彩輸出,1,2,3,選擇輸出的項目,常使用的輸出結果,壓力結果：判斷成形時流體主要發生高壓時的時間點及區域溫度結果：判斷成形時流體高溫區的位置氧化膜追蹤：判斷成形品氧化膜及冷接痕等缺陷位置
21、,壓力結果輸出,溫度結果輸出,氧化膜結果輸出,設定二、結果設定選項,控制輸出 Color Scale 數值範圍,Tools/Option,氧化膜輸出時必須調整這邊的數值範圍，以判斷合理的結果。,檢視 Air Entrainment 的結果,如果有啟動 Air Entrainment 模型，就可以在結果選項中找到vol.fraction of entrained air。,顏色越接近紅色的區域表示含空氣量越高,Tools/Option 選項內容設定,背景設定為白色，字體設定為黑色,Tools/Option 選項內容設定,設定字體之大小100%為原始設定，要調整字體調小時可以設定為 50%,將時間
22、顯示設定為科學記號,右方的顏色顯示以科學記號顯示,FLOW-3D 壓鑄模擬固化模擬,固化模擬前的工作,在模擬固化前，必須先完成充填模擬。固化分析必須接續著充填分析的結果，因此可以利用 FLOW-3D Restart 的功能接續執行。,步驟一、判斷充填結束的秒數,充填結束的秒數：0.596859,步驟二、另存新檔 Prepinr.inp,將原本的 Prepin.inp 檔案另存為Prepinr.inp“r”的意思代表要執行Restart分析,步驟三、啟動固化模擬,1,2,3,4,5,Restart 設定,從充填結束的時間開始接續,將計算的時間間隔調大,1,2,3,將未填滿的網格以選擇的金屬流體填
23、滿。,設定執行結束的條件,程式會執行到固化結束才停止。,步驟四、變更邊界條件,註：這個步驟不調整也可以。程式會自動停止鑄造的充填模擬。,步驟五、變更輸出設定,因為固化分析時間資料量比較大，所以可以變更輸出資料數量，否則會佔據過多的硬碟空間。,步驟六、變更數值設定,將原本的 0.001（充填分析）變更為 0.1 或者是 1（根據產品的類型及幾何造型做調整）,FLOW-3D 壓鑄模擬固化模擬 微縮孔,微縮孔模型,金屬在固化過程中，局部區域會因為收縮速度不一造成微縮孔。,設定方式,微縮孔的設定方式與固化模擬相同，唯一不同的只有在固化選項設定上。,選擇 No Shrinkage Model,1,設定項
24、35521600001.0 E20,2,檢視微縮孔的結果,微縮孔較嚴重的區域,檢視物件截面的微縮孔分佈,調整 Z 軸從一半的截面檢視,FLOW-3D 壓鑄模擬熱應力模擬,當金屬在加熱及冷卻過程中，會因為金屬的膨脹或收縮造成應力分佈不均。程式僅計算金屬完全填滿的區域計算熱應力時，假設模具是剛體（不變形）,熱應力計算,colored by displacement magnitude in a solidified 6-cylinder engine block,Stresses,熱應力模擬的設定重點,充填及固化分析要一次分析完成（分析時間會比較久）。不考慮金屬可能發生的延性變形。,步驟一、先完成
25、 Case1 的設定,初始設定與充填模擬相同，僅需要調整物理性質的設定項。,步驟二、調整設定項,固化模擬啟動,為了縮短分析時間，選擇 No Shrinkage。如果使用者希望充填同時計算收縮，可以選擇 Active dynamic shrinkage model（但是必須要微調數值選項，不容易收斂）,應力計算啟動,啟動彈應力模型,1,2,考慮金屬流體與模壁之間的沾黏,大部分的變形會發生在充填結束之後，因此這個選項可以不要勾選。,步驟三、調整流體性質,輸入參數：4.0 E-9,displacement magnitude,Von Mises stress,結果輸出,All six compone
26、nts of the stress tensorVon Mises stress,a measure of elastic shear stressesPressure,a measure of compressive stressesDisplacements in each coordinate directionDisplacement magnitudeNew in version 9.2:displacement vector plots,ddisplacements normal to free surface,(n.d),FLOW-3D 壓鑄模擬其他設定重點,Multi-Mesh
27、 Block 設定,有時候模型的造型以單一網格區塊圈選時會浪費許多的網格空間，而這些網格空間都會佔用記憶體。因此，可以利用 Multi-Mesh Block 來建立網格；不過，過多的網格區塊會造成計算時間增長。建議網格區塊數量如下：重力鑄造：1 4 個網格區塊壓力鑄造：2 5 個網格區塊V9.2 版開始支援 Active Mesh 的計算方式，大部分的鑄造案例建議採用單一 Mesh Block 即可（可以減少 Mesh Block 之間的計算誤差）,Multi-block Meshing Examples,bronze casting,two blocks,HPDC,three blocks,
28、HPDC,34 blocks,不良的網格建立方式,較好的網格建立方式,多重網格建立的方法,直接以座標輸入的方式進行網格建立,先取得相對應的座標值,按下滑鼠右鍵,1,2,多重網格建立的方法,先建立單一網格，再以分割網格/調整網格的方式建立,分割網格,調整網格大小,利用 Adjust Mesh Block,調整網格的範圍,建立網格 Auto Mesh,改用 Size of All Cells（因為多個網格區塊設定時，如果直接設定每個網格區塊大小，會造成網格區塊之間的尺寸不一）。利用 Size of All Cells 可以讓每個網格區塊內建立出來的網格尺寸大小相同，沒有 Aspect Ratio
29、不一的問題。,網格建立完成！,Multi-Mesh Block 的問題！,由於每一個 Mesh Block 的大小都不一樣，即使是以Size of all cells的設定，Mesh Block 相接處網格邊界無法相連接。一旦流體流經此處時，計算的複雜度會比較複雜，可能會有計算收斂的問題。,以 Add Point 控制網格尺寸,Y=-1.3,在每一個 Mesh Block 相連接的位置以Add Point設定，可以讓邊界的計算收斂問題減少。,FLOW-3D 壓鑄模擬增加材料,自建材料庫,FLOW-3D 支援使用者自行輸入材料。以下將說明如何建立材料庫。Example：A380ADC 12,新增材料,A380 資料表（輸入）,A380 資料表（輸入）,ADC 12 資料表（輸入）,ADC 12 資料表（輸入）,自建模具材料庫,模具材料資料庫的建立方式與材料增加的方式類似。不過輸入的資料比較少。,選擇 Solid Database,輸入材料：SKD 61(200),在分析時才輸入數值,
