FLOW-3D，在金屬鑄造方面, FLOW-3D 可以準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、壓力

場、溫度場、自由表面變化以及鑄型的溫度場; 精確地描述凝固過程。然而, 運用FLOW-3D 進行鑄造數值模擬的中文文獻很少, 其原因可能與該軟件學習、使用較難有關。

本文是我學習FLOW-3D軟件獲得的關于FLOW-3D 鑄造數值模擬幾何模型構建方面的心得, 與同行交流。

1 component和subcomponent概念

component和subcomponent是FLOW-3D 數值模擬幾何模型構建中兩個關鍵的概念。

1. 1 component

component, 是給定模擬專案中具有相同性質和初始

條件的空間實體[。比如, 在砂型重力鑄造數值模擬中,形成鑄件、澆注系統、冒口型腔的鑄型實體就是該模擬專案的鑄型com ponent。一個模擬專案的幾何模型可以有不止一個com ponent。一個com ponent, 可以是連續的, 也可以不連續。仍以砂型重力鑄造為例, 如果要探索冷鐵對凝固的作用,因冷鐵與鑄型型砂性質(比如: 熱傳導率, 比熱容, 表面粗糙度等) 不同, 必須創建新的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

就是一個不連續的component。當創建一個新的com ponent時, 將自動彈出Add component對話框, 如圖1 所示。在此應指定com ponent的類型, com ponent有4種類型: standard(標準型)、po rous(多孔型) 、lost foam ( 鑄造消失模)和dom a in remov ing( 計算域去除型)。通常鑄造數值模擬選standard, 若模擬消失模鑄造則選lost fo am。

圖1 component類型指定對話框

在這里有必要對Dom ain Rem ov ing (計算域去除型)做進一步說明。如果component定義為Dom ain Rem ov ing

型, 那么FLOW-3D的求解程序將忽略該component所占有的網格 。在鑄造數值模擬中, 為了減少計算時間, 對遠離型腔的厚實型芯及鑄型實體可做此處理。

1. 2 subcomponent

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

就是一個幾何體, 比如: STL文檔, 或者Ansys, I 'DEAS文檔, 或者用FLOW-3D 自帶的基本圖素構造的幾何體。同樣以砂型重力鑄造為例, 將鑄件、澆注系統、冒口分別制作成獨立的幾何體, 然后組裝成一個完整型腔, 那么, 鑄件幾何體、澆注系統幾何體、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, 也就是說在一個實體上形成與該幾何

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體部分

( 簡稱為補體), FLOW-3D將此實體部分定義為較該三維幾何體所在的com ponent全體略大的長方體。

2 subcomponent創建

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組裝構建模擬專案的幾何模型, 必須首先創建subcomponent, FLOW-3D中可以通過兩種方式創建subcom ponent, 一種是通過導入存在的幾何體文

檔創建, 另一種是通過FLOW-3D自帶的基本圖素創建。

2. 1 導入subcomponent

2. 1. 1 subcomponent導入前的準備

1) 文件名處理。FLOW-3D的so lver(求解程序)不認

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檢查文件名, 如果文件名中有空格

符, 應做去除處理。同時, 在文件路徑上不能有中文字符。

2) 缺陷檢查和修理。在導入前應對幾何體進行檢查, 并修理其中的缺陷。FLOW-3D 推薦用M ag ics 和DM esh兩個軟件來處理幾何體。

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

尺寸、位置符合原設計, 以及在參數設置時正確設置各項參數, 首先應確定模擬的單位制。單位制選擇在M ode se tup> Genera l> Un its下進行,如圖2所示。用戶可以根據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

在鑄造數值模擬中常選用CGS(厘米-克-秒)制, 其基本單位為: 長度單位——厘米( cm )、質量單位——克( g )、

時間單位——秒( s)、溫度單位—— 開( bK )、力單位——達因( dyne )、角度單位——弧度( radian )。需要注意的

是, FLOW-3D在導入幾何體時只讀取尺寸的數字而忽略其單位, 因此在幾何體導入過程中或導入后應根據選擇的

單位制調整放大倍率, 確保導入的幾何體尺寸符合實際。

導入過程中調整縮放比例在transform ations對話框中進行, 導入后在結構樹的geome try > component> subcom ponent>

transform ations分支中調整。

2. 1. 2 subcomponent的導入

打開m ode setup> mesh ing& geom etry選項卡, 如圖3。

圖3 M eshing&Geometry選項卡界面

直接點擊工具條上圖標或點擊菜單subcomponent

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

圖4 Geometry F ile( s)對話框

在這里, 可以對幾何體在x, y 或z 方向進行

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

a) 導入幾何體的具體步驟為:

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

2) 點擊Add按鈕, 彈出add geom etry file( s)對話框,選擇欲添加的幾何體, 點擊open按鈕確定。

3) 點擊transfo rm 按鈕, 打開transforma tions 對話框,如圖5所示。

圖5 transformations對話框

b) 需要指出:

1) 執行變換的順序為: 先縮放, 再旋轉, 最后平移 。

2) 執行旋轉的順序是: 先繞x 軸旋轉, 再繞y 軸旋轉, 最后繞z 軸旋轉[ 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, 再到界面左部的結構樹中根據具體情況修改subcom ponent的類型。要注意的是, 每一個component的第一個subcomponent才有solid, ho le, com plem ent三個類型選項, 其他subcomponent只有so lid, ho le兩個類型選項。對于鑄造模擬的鑄型com ponen t, 建議將鑄件幾何體作為subcom ponent

1, 改變subcomponent類型時先將subcom ponent 1的類型改為com plem en t(補體), 然后再將其他subcom ponent的類型改為ho le。點擊ok按鈕, 確認所做的變換, 返回geom etry File( s)對話框。

4) 點擊ok按鈕, 完成一個subcom ponen t的導入。

2. 2 用FLOW-3D 基本圖素創建subcomponent

還可以通過FLOW-3D 的實體造型器創建subcom ponent,該實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), 通過點擊工具條上相應的圖標或點擊subcomponents菜單相應的菜單項啟動相應的對話框, 經過com ponen t選擇及一系列特征值設置, 以及根據需要進行平移、旋轉、縮放等變換后, 點擊對話框ok按鈕完成subcomponent的創建。

3 component的組裝

所需的subcom ponent導入后, 要將它們按照設計的位置和大小組裝成com ponent, 該操作在結構樹中完成。具

體操作步驟如下:

3. 1 subcomponent縮放

在結構樹geom etry中打開component下的每一個subcomponent的transform ations分支, 根據之前選擇的單位制

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

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

3. 2 subcomponent位置調整

在結構樹geome try > component > subcom ponent >transform ations分支下, 在rota tions 中根據需要完成subcomponent旋轉, 在transla tions中根據需要完成subcom ponent平移。對于鑄造數值模擬來說, 可以用來調整鑄件、

澆冒口的位置, 使它們在預定的位置并貫通。

3. 3 subcomponent類型選擇

對于鑄造數值模擬來說, 應先構造鑄型的實體部分。方法是, 將subcomponent1 的類型( subcom ponent type) 變

換為com plem en t, 形成整個com ponen t的實體部分( 此時subcomponent1原幾何體變為空體); 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。彈出so lids database對話框, 如圖6 所示。在該對話框中列出了常用

的鑄型材料18種, 用戶可以對現有材料的數據進行修改( ed it), 還可以根據需要添加( add)特定的鑄型材料。根

據需要選擇適當的材料, 點擊load按鈕, 加載材料數據。展開結構樹的componen t分支, 在solid properties( 固體性質) , sur face properties(表面性質)和in itia l conditions(初始條件)分支中可以看到載入的數據。

圖6 實體材料數據庫選項

4 結語

FLOW-3D數值模擬幾何模型由一個或多個com ponent組成, 一個component又可由一個或多個subcom ponent構成, 因此, subcom ponent是F low-3D數值模擬幾何模型的最基本組元。幾何模型的構建一般分為下面幾個步驟:

1) 創建鑄件、澆注系統、冒口、冷鐵等三維實體。

2) 導入各三維實體作為某com ponent的subcom ponent。

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

4) 對于鑄型com ponen t, 改變subcom ponent 1的類型為com plem en t, 使subcom ponent 1的反體形成鑄型實體;

改變其他subcom ponent的類型為H o le, 形成型腔。5) 將實體材料數據賦予相應的com ponent。

模擬專案的幾何模型構建完成后, 即可在此基礎上進行網格塊設置及網格剖分。