FLOW-3D，在金屬鑄造方面, FLOW-3D 可以準(zhǔn)確地模擬型腔的充填過程, 給出鑄件充型過程中金屬液體的速度場(chǎng)、壓力

場(chǎng)、溫度場(chǎng)、自由表面變化以及鑄型的溫度場(chǎng); 精確地描述凝固過程。然而, 運(yùn)用FLOW-3D 進(jìn)行鑄造數(shù)值模擬的中文文獻(xiàn)很少, 其原因可能與該軟件學(xué)習(xí)、使用較難有關(guān)。

本文是我學(xué)習(xí)FLOW-3D軟件獲得的關(guān)于FLOW-3D 鑄造數(shù)值模擬幾何模型構(gòu)建方面的心得, 與同行交流。

1 component和subcomponent概念

component和subcomponent是FLOW-3D 數(shù)值模擬幾何模型構(gòu)建中兩個(gè)關(guān)鍵的概念。

1. 1 component

component, 是給定模擬專案中具有相同性質(zhì)和初始

條件的空間實(shí)體[。比如, 在砂型重力鑄造數(shù)值模擬中,形成鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口型腔的鑄型實(shí)體就是該模擬專案的鑄型com ponent。一個(gè)模擬專案的幾何模型可以有不止一個(gè)com ponent。一個(gè)com ponent, 可以是連續(xù)的, 也可以不連續(xù)。仍以砂型重力鑄造為例, 如果要探索冷鐵對(duì)凝固的作用,因冷鐵與鑄型型砂性質(zhì)(比如: 熱傳導(dǎo)率, 比熱容, 表面粗糙度等) 不同, 必須創(chuàng)建新的com ponen t為冷鐵com ponent。若在鑄型的不同部位放置冷鐵, 則該冷鐵com ponent

就是一個(gè)不連續(xù)的component。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的com ponent時(shí), 將自動(dòng)彈出Add component對(duì)話框, 如圖1 所示。在此應(yīng)指定com ponent的類型, com ponent有4種類型: standard(標(biāo)準(zhǔn)型)、po rous(多孔型) 、lost foam ( 鑄造消失模)和dom a in remov ing( 計(jì)算域去除型)。通常鑄造數(shù)值模擬選standard, 若模擬消失模鑄造則選lost fo am。

圖1 component類型指定對(duì)話框

在這里有必要對(duì)Dom ain Rem ov ing (計(jì)算域去除型)做進(jìn)一步說明。如果component定義為Dom ain Rem ov ing

型, 那么FLOW-3D的求解程序?qū)⒑雎栽揷omponent所占有的網(wǎng)格 。在鑄造數(shù)值模擬中, 為了減少計(jì)算時(shí)間, 對(duì)遠(yuǎn)離型腔的厚實(shí)型芯及鑄型實(shí)體可做此處理。

1. 2 subcomponent

subcomponent, 是com ponent的組成元件, 一個(gè)com ponent可以由一個(gè)或多個(gè)subcomponent組成, 每一個(gè)subcomponent

就是一個(gè)幾何體, 比如: STL文檔, 或者Ansys, I 'DEAS文檔, 或者用FLOW-3D 自帶的基本圖素構(gòu)造的幾何體。同樣以砂型重力鑄造為例, 將鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口分別制作成獨(dú)立的幾何體, 然后組裝成一個(gè)完整型腔, 那么, 鑄件幾何體、澆注系統(tǒng)幾何體、冒口幾何體就是該模擬專案的鑄型com ponent的不同的subcom ponent。

subcomponent有3 種類型: so lid, ho le 和com plem ent。subcomponent為so lid類型, 表示該三維幾何體為實(shí)體;

subcomponent為H o le 類型, 表示該三維幾何體表面圍成的封閉部分為空體, 也就是說在一個(gè)實(shí)體上形成與該幾何

體完全一致的空腔; subcom ponent為com plem ent類型, 表示為該三維幾何體表面圍成的封閉部分以外的實(shí)體部分

( 簡(jiǎn)稱為補(bǔ)體), FLOW-3D將此實(shí)體部分定義為較該三維幾何體所在的com ponent全體略大的長(zhǎng)方體。

2 subcomponent創(chuàng)建

從上面的描述知道, subcomponent是幾何模型的基本元素, 因此, 要完成com ponent組裝構(gòu)建模擬專案的幾何模型, 必須首先創(chuàng)建subcomponent, FLOW-3D中可以通過兩種方式創(chuàng)建subcom ponent, 一種是通過導(dǎo)入存在的幾何體文

檔創(chuàng)建, 另一種是通過FLOW-3D自帶的基本圖素創(chuàng)建。

2. 1 導(dǎo)入subcomponent

2. 1. 1 subcomponent導(dǎo)入前的準(zhǔn)備

1) 文件名處理。FLOW-3D的so lver(求解程序)不認(rèn)

可文件名中有空格的幾何體文檔(例如/ part one. stl0 ),因此在引入文檔之前應(yīng)檢查文件名, 如果文件名中有空格

符, 應(yīng)做去除處理。同時(shí), 在文件路徑上不能有中文字符。

2) 缺陷檢查和修理。在導(dǎo)入前應(yīng)對(duì)幾何體進(jìn)行檢查, 并修理其中的缺陷。FLOW-3D 推薦用M ag ics 和DM esh兩個(gè)軟件來處理幾何體。

3) 單位制選擇。通常情況下, 建立的三維幾何體均以mm 為長(zhǎng)度單位, 為了保持導(dǎo)入的subcom ponent的幾何

尺寸、位置符合原設(shè)計(jì), 以及在參數(shù)設(shè)置時(shí)正確設(shè)置各項(xiàng)參數(shù), 首先應(yīng)確定模擬的單位制。單位制選擇在M ode se tup> Genera l> Un its下進(jìn)行,如圖2所示。用戶可以根據(jù)各自的喜好選擇一種單位制作為模擬的單位。

圖2 模擬單位下拉框

在鑄造數(shù)值模擬中常選用CGS(厘米-克-秒)制, 其基本單位為: 長(zhǎng)度單位——厘米( cm )、質(zhì)量單位——克( g )、

時(shí)間單位——秒( s)、溫度單位—— 開( bK )、力單位——達(dá)因( dyne )、角度單位——弧度( radian )。需要注意的

是, FLOW-3D在導(dǎo)入幾何體時(shí)只讀取尺寸的數(shù)字而忽略其單位, 因此在幾何體導(dǎo)入過程中或?qū)牒髴?yīng)根據(jù)選擇的

單位制調(diào)整放大倍率, 確保導(dǎo)入的幾何體尺寸符合實(shí)際。

導(dǎo)入過程中調(diào)整縮放比例在transform ations對(duì)話框中進(jìn)行, 導(dǎo)入后在結(jié)構(gòu)樹的geome try > component> subcom ponent>

transform ations分支中調(diào)整。

2. 1. 2 subcomponent的導(dǎo)入

打開m ode setup> mesh ing& geom etry選項(xiàng)卡, 如圖3。

圖3 M eshing&Geometry選項(xiàng)卡界面

直接點(diǎn)擊工具條上圖標(biāo)或點(diǎn)擊菜單subcomponent

> geometry file( s), 彈出geometry file( s)對(duì)話框, 如圖4。

圖4 Geometry F ile( s)對(duì)話框

在這里, 可以對(duì)幾何體在x, y 或z 方向進(jìn)行

translate( 平移), ro tate( 旋轉(zhuǎn))或magnification( 縮放) 等變換, 還可以對(duì)整個(gè)幾何體進(jìn)行縮放( g lobal m agn ifica tion),以及改變subcom ponent的類型(缺省為So lid)。

a) 導(dǎo)入幾何體的具體步驟為:

1) 在add to com ponent下拉列表項(xiàng)選擇添加subcomponent幾何體的com ponent編號(hào), 或者新建一個(gè)component。

2) 點(diǎn)擊Add按鈕, 彈出add geom etry file( s)對(duì)話框,選擇欲添加的幾何體, 點(diǎn)擊open按鈕確定。

3) 點(diǎn)擊transfo rm 按鈕, 打開transforma tions 對(duì)話框,如圖5所示。

圖5 transformations對(duì)話框

b) 需要指出:

1) 執(zhí)行變換的順序?yàn)? 先縮放, 再旋轉(zhuǎn), 最后平移 。

2) 執(zhí)行旋轉(zhuǎn)的順序是: 先繞x 軸旋轉(zhuǎn), 再繞y 軸旋轉(zhuǎn), 最后繞z 軸旋轉(zhuǎn)[ 2]。

3) 建議在此處保持subcom ponent類型為缺省值so-lid, 待該com ponent的所有subcomponent都添加完成后, 再到界面左部的結(jié)構(gòu)樹中根據(jù)具體情況修改subcom ponent的類型。要注意的是, 每一個(gè)component的第一個(gè)subcomponent才有solid, ho le, com plem ent三個(gè)類型選項(xiàng), 其他subcomponent只有so lid, ho le兩個(gè)類型選項(xiàng)。對(duì)于鑄造模擬的鑄型com ponen t, 建議將鑄件幾何體作為subcom ponent

1, 改變subcomponent類型時(shí)先將subcom ponent 1的類型改為com plem en t(補(bǔ)體), 然后再將其他subcom ponent的類型改為ho le。點(diǎn)擊ok按鈕, 確認(rèn)所做的變換, 返回geom etry File( s)對(duì)話框。

4) 點(diǎn)擊ok按鈕, 完成一個(gè)subcom ponen t的導(dǎo)入。

2. 2 用FLOW-3D 基本圖素創(chuàng)建subcomponent

還可以通過FLOW-3D 的實(shí)體造型器創(chuàng)建subcom ponent,該實(shí)體造型器提供的基本圖素有sphere (球), cy linder(圓柱), cone (圓錐), box ( 立方) 和to rus(圓環(huán)), 通過點(diǎn)擊工具條上相應(yīng)的圖標(biāo)或點(diǎn)擊subcomponents菜單相應(yīng)的菜單項(xiàng)啟動(dòng)相應(yīng)的對(duì)話框, 經(jīng)過com ponen t選擇及一系列特征值設(shè)置, 以及根據(jù)需要進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等變換后, 點(diǎn)擊對(duì)話框ok按鈕完成subcomponent的創(chuàng)建。

3 component的組裝

所需的subcom ponent導(dǎo)入后, 要將它們按照設(shè)計(jì)的位置和大小組裝成com ponent, 該操作在結(jié)構(gòu)樹中完成。具

體操作步驟如下:

3. 1 subcomponent縮放

在結(jié)構(gòu)樹geom etry中打開component下的每一個(gè)subcomponent的transform ations分支, 根據(jù)之前選擇的單位制

及幾何體尺寸, 檢查m agn ifications> g loba l參數(shù)(全局放大倍率) 是否正確(比如, 當(dāng)單位制選擇CGS時(shí), 若幾何體原

始單位為mm, 則放大倍率應(yīng)為0. 1)。在正確輸入放大倍率后, 一定按回車鍵確認(rèn), 縮放結(jié)果立即在圖形窗口中反映出來。

3. 2 subcomponent位置調(diào)整

在結(jié)構(gòu)樹geome try > component > subcom ponent >transform ations分支下, 在rota tions 中根據(jù)需要完成subcomponent旋轉(zhuǎn), 在transla tions中根據(jù)需要完成subcom ponent平移。對(duì)于鑄造數(shù)值模擬來說, 可以用來調(diào)整鑄件、

澆冒口的位置, 使它們?cè)陬A(yù)定的位置并貫通。

3. 3 subcomponent類型選擇

對(duì)于鑄造數(shù)值模擬來說, 應(yīng)先構(gòu)造鑄型的實(shí)體部分。方法是, 將subcomponent1 的類型( subcom ponent type) 變

換為com plem en t, 形成整個(gè)com ponen t的實(shí)體部分( 此時(shí)subcomponent1原幾何體變?yōu)榭阵w); 將該com ponent的其

他subcom ponent類型變換為ho le, 形成完整的鑄型。

3. 4 鑄型材料的確定

選擇too ls 菜單下so lids database 選項(xiàng)。彈出so lids database對(duì)話框, 如圖6 所示。在該對(duì)話框中列出了常用

的鑄型材料18種, 用戶可以對(duì)現(xiàn)有材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改( ed it), 還可以根據(jù)需要添加( add)特定的鑄型材料。根

據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)牟牧? 點(diǎn)擊load按鈕, 加載材料數(shù)據(jù)。展開結(jié)構(gòu)樹的componen t分支, 在solid properties( 固體性質(zhì)) , sur face properties(表面性質(zhì))和in itia l conditions(初始條件)分支中可以看到載入的數(shù)據(jù)。

圖6 實(shí)體材料數(shù)據(jù)庫選項(xiàng)

4 結(jié)語

FLOW-3D數(shù)值模擬幾何模型由一個(gè)或多個(gè)com ponent組成, 一個(gè)component又可由一個(gè)或多個(gè)subcom ponent構(gòu)成, 因此, subcom ponent是F low-3D數(shù)值模擬幾何模型的最基本組元。幾何模型的構(gòu)建一般分為下面幾個(gè)步驟:

1) 創(chuàng)建鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵等三維實(shí)體。

2) 導(dǎo)入各三維實(shí)體作為某com ponent的subcom ponent。

3) 對(duì)subcom ponent進(jìn)行各種變換( 縮放、旋轉(zhuǎn)、平移) , 將subcom ponent組裝在一起。

4) 對(duì)于鑄型com ponen t, 改變subcom ponent 1的類型為com plem en t, 使subcom ponent 1的反體形成鑄型實(shí)體;

改變其他subcom ponent的類型為H o le, 形成型腔。5) 將實(shí)體材料數(shù)據(jù)賦予相應(yīng)的com ponent。

模擬專案的幾何模型構(gòu)建完成后, 即可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格塊設(shè)置及網(wǎng)格剖分。