NOVACAST模擬技術對壓鑄完整排氣系統的驗證
本文描述了模擬金屬液通過薄壁截面時，由于冷卻和高背壓導致的金屬液停止流動，活塞不能推動金屬液通過這些區域。控制體積法這種新技術允許幾乎任何設計的幾何形狀進行網格劃分。利用該仿真技術可以在非常合理的時間內再現鑄件生產過程。
關鍵模擬技術：
使用體積分數精確定義幾何模型（CVM-控制體積法）
結構化有限差分網格（FDM-有限差分法）
使用體數分數和N-S方程模擬液體流動
模具表面粗糙度
氣體計算
有限差分法
控制體積法
上圖中，使用相同的網格數量劃分同一薄壁壓鑄件，如果采用不同的方法，結果截然不同。采用有限差分法，由于網格數量太少，導致幾何完全失真。使用控制體積法即使網格數量較少，但仍然能夠通過體積分數來精確表達。
控制體積法網格
圖中是采用控制體積法劃分網格的截面圖中可以看出，青色部分為鑄件金屬液部分，薄壁處網格數量即使不足一層單元，仍然能夠滿足計算要求。
計算效率對比
NOVACAST早期版本同大多數鑄造仿真軟件一樣使用的是有限差分法，通過NFS團隊不斷的研究探索，重新開發軟件后核心技術改用控制體積法，新的算法不但精度高，而且計算效率相對于有限差分法提高了5~10倍以上，大大縮短了工藝人員計算機試模的時間。因此，如論是從模擬精度還是計算效率上，NOVACAST為實現又細又長的排氣孔模擬驗證工作提供可靠的仿真工具。
對于鑄件和排氣孔模擬問題，需要以下詳細的信息：
哪些模具需要添加排氣系統；
排氣孔的位置
排氣孔的尺寸
排氣孔位置的冷卻
冷鐵的材料
帶冷鐵塊的排氣系統深入研究后得到的模擬結果如下：
冷鐵塊的冷卻影響
金屬液流入排氣孔和空氣排出
幾何背壓
氣體背壓
通過薄壁截面時的金屬液填充和流動
活塞在充填結束時由于填充面積減少而減速
案例一：
某鋁合金高壓鑄件澆鑄系統如上圖所示，需要驗證其排氣系統設計。模擬設置及工藝參數如下：
網格數量：120萬
鑄件材料：EN AC 46000（澆鑄溫度680℃）
模具材料：奧瓦兒（瑞典）產模具鋼（預熱溫度220℃）
冷鐵：鈹銅（初始溫度100℃）
壓射速率：第一階段=0.4米每秒；第二階段=2.5米每秒
計算時間：完整的金屬液充填流動和熱平衡過程共花費40分鐘
計算機：四核8G內存臺式機
軟件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本為6.3r3）
模擬結果如下圖所示金屬液充填過程的速率場，為了方便研究壓鑄模具結構的排氣系統，主要觀察金屬液充滿型腔的后半段。可以清楚的看到金屬最后充滿排氣槽，以及充滿型腔時金屬液的流動速率，由于幾何背壓導致的部分位置流動速率發生變化，排氣系統設計合理。
型腔填充率60%
型腔填充率70%
型腔填充率80%
型腔填充率90%
型腔填充率99.5%
充填完成時金屬液分布及溫度場
生產實物
通過最終的模擬結果與實物對比可以看出，在排氣槽中金屬液的充滿狀態模擬與實物高度吻合，模擬計算精度相當高。
案例二：
某鋁合金高壓薄壁鑄件，鑄件外型輪廓尺寸900×700×185mm，質量4.4kg，如上圖所示，同樣對其排氣系統進行驗證。模擬設置及工藝參數如下所示：
網格數量：135萬
最薄的截面：排氣孔0.5mm，鑄件1.5mm
鑄件材料：EN AC 46000（澆鑄溫度660℃）
模具材料：奧瓦兒（瑞典）產模具鋼（預熱溫度220℃）
冷鐵：無
壓射速率：第一階段=0.5米每秒；第二階段=5米每秒
計算時間：完整的金屬液充填流動和熱平衡過程共花費40分鐘
計算機：四核8G內存臺式機
軟件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本為6.3r3）
模擬計算結果如下圖所示，不同充填階段的速率場分布，觀察分析后確認當前排氣設計合理，并且可以看到由于氣體背壓導致的部分截面流動速率發生變化。
型腔填充率60%
型腔填充率70%
型腔填充率80%
型腔填充率85%
型腔填充率90%
型腔填充率95%
型腔填充率99.5%
完全充滿時的液相體積分數
通過當前案例再次驗證了NOVACAST軟件CVM控制體積法具有最快的計算效速度和最高的計算精度，很好的驗證了排氣系統在壓鑄模具中如何發揮作用。
結論
帶冷鐵塊的排氣系統中填充和凝固模擬是可以實現的；
在新的模擬技術下，計算時間是合理可接受的；
CVM控制體積法能夠模擬金屬液通過不足一層單元的截面；
軟件可模擬由于幾何和氣體背壓導致的活塞速度降低；
網格自動劃分較快，模擬前處理設置時間短。
來源：安世亞太
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