凝固仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2022-04-02
凝固仿真的視頻教程
基于凝固-融化模型的水凝固和冰融化模擬
1.掌握凝固-融化模型仿真基本通用流程，冷凝-融化模型介紹與注意事項； 2.掌握meshing網格劃分過程； 3.掌握CFD-POST后處理過程，體渲染與ios平面； 4.提供源文件與答疑過程；
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凝固仿真的實例教程
問題：
最近遇到一個仿真項目：一個光滑薄板粘貼在基板上，要求評估膠粘凝固后平面的變形量。作為一位結構仿真工程師，關于膠粘凝固過程的仿真——膠水由液態變為固態，似乎和結構仿真沒什么關系，自己也不知道如何進行計算。所以就查詢了deepseek和豆包，然后就知道了ansys官方已經針對該問題設計了一個ACT插件專門用于模擬膠粘凝固過程的仿真： ACCS Ansys Composite Cure Simulation （收費插件，人窮志短買不起，哎！）
然后就查詢了一些關于膠粘過程的論文，其中“車身制造用鋁合金-鋼膠接接頭固化變形及固化失效機理研究-朱曉搏”寫的比較詳細，指出膠粘過程大致階段如下，詳細內容請參考原文。
? 第一階段：從開始加熱起始直至溫度升高到膠層的凝膠點結束。在這一階段中，膠層為粘流態，表現為高粘度的流體。
? 第二階段從膠粘劑凝膠開始，經歷整個保溫階段至溫度下降到玻璃化溫度為止。整個階段，膠層處于高彈態。這一階段是整個固化過程中膠層屬性最為復雜的階段。包括膠層固化反應收縮和溫度、膠層狀態等多方面因素共同影響。
? 第三階段由玻璃化溫度開始直至膠層溫度冷卻至室溫。在此階段中，膠層完全固化，處在玻璃態，其物理屬性只與溫度相關。在此狀態下，膠層的鏈段被凍結，變形能力很小，具有較高的模量。
這里結合當前工作需求和實際狀態，以上述論文中的膠粘凝固過程為基礎，嘗試了一個偷懶的仿真方式。其中論文中的第一階段，膠層為流體狀態，結構變形應力，不予考慮；論文中的第二階段，這里只考慮膠層的固化反應體積收縮，其余不考慮。同時該階段膠層材料的物理屬性由固化后屬性按比例衰減估計；論文中的第三階段則為降溫體積收縮過程。所以，本文針對膠粘固化過程的仿真變為兩個階段。
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研究中所采用的鋁合金為C356 和 A319，仿真結果在實際發動機缸體生產中得到驗證。
原理
鑄造仿真軟件從它誕生之日起，人們把孔洞預測作為計算機仿真重要目標。而首次增加縮孔模型的仿真軟件僅僅被設計成只限于相對較大的黑色金屬鑄件，主要包括一些形狀簡單和厚壁合金鋼。該仿真軟件主要模擬一些冷卻速度相對較快大和補縮范圍及距離較短的鑄件，所以利用仿真軟件找到的鑄件熱點或凝固判據（如凝固時間或凝固速度等）都是相當準確的。然而對于鋁硅合金來說，這些凝固仿真軟件并不能找到縮孔的準確位置，主要因為鋁硅合金具有較長的凝固區間。
早期鋁合金凝固仿真主要集中對高速冷卻的固定模鑄件開發上。快速凝固可以消除凝固區間較寬、負熱對流及枝晶間補縮的影響，這讓仿真以最小的計算力運算變得更可行。近年來，鋁合金凝固仿真重點更多地放在縮松方面，但不得不承認對
宏觀收縮問題仍很難預測。
為了更準確預測鋁鑄件孔洞，軟件需要在鑄件各個位置上預測出準確溫度場。這對消失模鑄造來說極其重要，因為鑄件在充型結束后有時會形成不可預測或不正常的溫度梯度。此外，在敞口鑄型中充型過程速度越慢，熱對流越強，從而使溫度場變得更復雜。
利用有限差分法，得出受內能控制的溫度場微分方程如下：
其中，VF 表示流體流經計算單元的體積分數、AX, AY, AZ分別表示流體流經單元的截面面積比例、 u, v, w 分別表示x, y, z 三個方向的流體流動速度。方程右邊的關系式表示與外加熱源和散熱有關的。湍流擴散內能的微分方程如下：
其中， ci 表示互逆紊流普蘭特爾數。熱傳導的微分方程如下：
其中，T 表示溫度 和 k 表示流體的熱傳系數。
展開 本模型解決的是多晶鑄錠爐內的多晶硅定向凝固現象，抽象為物理問題就是考慮馬蘭戈尼效應的固液相變問題。
關鍵詞：固液相變、定向凝固、馬蘭戈尼效應、流體流動、相界面、表面對表面的熱輻射
1、模型幾何
從內到外依次為硅液、石英坩堝、石墨臺、加熱器、保溫筒、爐壁。
2、處理方法
固液相變的處理辦法可以大致分為動網格法和偽流體方法。
偽流體的處理方法也可以包含多種，比如固液相變中將固體的粘度取得很大，固體在粘性力作用下產生的運動可以被忽略。比如固液相變中將流體假設為在多孔介質中流動，當孔隙率為1的時候可以近似為全部為沒有孔隙的固體，而孔隙率為0的時候即為流體。
由于定向凝固中全部液態的硅要轉化為全部固態的硅，相界面從無到有，再消失。使用動網格雖然可以捕捉清晰的相界面，但是最終無法得到最后的相界面的拓撲變化，因此，本模型采用的是偽流體處理方法。
3、材料參數
除液體硅外，其余材料的材料參數均假設為常數，不隨溫度變化。
圖 硅液材料參數
圖 固體硅材料參數
圖 石英材料參數
圖 石墨材料參數
圖 保溫筒材料參數
圖 爐壁材料參數
4、物理場
模型添加了固體和液體傳熱、層流、表面對表面的輻射、非等溫流動、馬蘭戈尼效應。
5、研究
研究分為加熱和降溫兩個階段。
加熱過程中假設所有物質都是固體，僅考慮固體傳熱，得到10h后的溫度分布。
降溫過程選則的初始條件是5h的鑄錠爐狀態，因為5h后硅料已經全部融化為液態，直接降溫可以進行定向凝固。
6、結果
圖 升溫5h后的溫度分布
圖 降溫0.7h后的溫度分布
圖 降溫0.6、0.7、0.8、0.9h后的固液界面
圖 降溫0.7h后的固液界面及流線
7、模型建立
展開 聲學膠凝固，仿真用的什么軟件？
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作為一位結構仿真工程師，關于膠粘凝固過程的仿真——膠水由液態變為固態，似乎和結構仿真沒什么關系，自己也不知道如何進行計算。所以就查詢了deepseek和豆包，然后就知道了ansys官方已經針對該問題設計了一個ACT插件專門用于模擬膠粘凝固過程的仿真： ACCS Ansys Composite Cure Simulation （收費插件，人窮志短買不起，哎?。?/div>
圖 8 不均厚殼模厚度比1、2、3、4、5、6、7及8的金屬液凝固過程仿真未凝固區域(a)、縮孔開始形成位置與溫度場變化(b)、完全凝固后所產生縮孔形貌(c)
殼模厚薄比增加可觀察到凝固時間啟動漸緩外，也會造成固相率變化如圖 9所示，針對為殼模厚薄比1、3、5及7的固相率曲線，除了具有方向性凝固效果外，其溫度變化趨近于Planar狀態，尤其SH5及SH7厚度比5倍以上，方向性凝固更是明顯
對于熱模數方法，首先進行鑄件的凝固模擬。一旦仿真完成，就可以根據Chvorinov的規則從凝固時間計算出整個鑄件的等效模數。使用此方法計算的等效模數稱為熱模數。可以使用與幾何模數相同的方式來設計冒口系統。
入選理由：講解了從幾何處理到求解融化的過程，視頻中整個過程流暢，通俗易懂，適合做凝固融化仿真Demo演示，科普實用性很高。
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7.
多晶硅在制造過程中，首先將多晶硅料加到石英坩堝中，開啟加熱器進行熔料，待所有硅料變為液體后，開始降溫冷卻。熔融的硅液逐漸發生相變，從液態變為固態，等到所有硅料變為固體后開爐取料。
本模型解決的是多晶鑄錠爐內的多晶硅定向凝固現象，抽象為物理問題就是考慮馬蘭戈尼效應的固液相變問題。
關鍵詞：固液相變、定向凝固、馬蘭戈尼效應、流體流動、相界面、表面對表面的熱輻射
1、模型幾何
從內到外依次為硅液
在此條件下進行鑄件充型/凝固過程的仿真計算，優化工藝參數，減少試制，縮短產品生產周期。
重力鑄造（砂型，金屬型，傾轉）
對于重力鑄造而言，關鍵因素在于如何優化澆注系統以及如何消除可能的縮孔區域。proCAST可以進行澆注，凝固，應力及微觀組織的模擬，將工藝人員的設計方案在計算機上復現，幫助判定其可執行性。
該仿真提供了對鑄件的填充和凝固的詳細仿真分析，同時跟蹤不同類型的判據，如：充型、凝固、孔隙、表面氧化物、夾帶的空氣和卷氣、熱應力和變形等各種缺陷。 FLOW-3D CAST 還可以分析模具的熱平衡以及其他性能，FLOW-3D CAST 可以模擬砂芯發氣，甚至可以模擬鋁液除氣等。仿真分析優化可縮短模具的開發時間，加快產品上市時間并提高產量。
壩工結構的分析
l 壩體截面優化設計
l 壩體彈塑性應力分析計算
l 壩體止水銅片的大變形分析
l 壩體砼徐變計算
l 混凝土開裂效應分析
l 大壩穩態、瞬態溫度場及溫度應力計算
l 大壩的模態及動力響應分析
l 大壩的地震分析
l 砼澆注、凝固過程仿真模擬（施工模擬）
l 橡膠管壩充水超彈性大變形分析
l 大壩基礎應力分析
l
有關凝固?熔化仿真的討論在這一章就要結束了。現在不僅能模擬液體的凝固及固體的熔化等過程，就是包括氣相在內的氣液固三湘流的模擬，也正在成為現實可能。這樣的軟件就可以適用于各種各樣的計算模擬對象。
來源：MSC軟件
該仿真提供了對鑄件的填充和凝固的詳細仿真分析，同時跟蹤不同類型的指標，如：充型，固化，孔隙，表面氧化物，夾帶的空氣和卷氣，熱應力和變形等各種缺陷。 FLOW-3D CAST還可以分析模具或模具的熱曲線以及其他性能，例如 FLOW-3D CAST的芯體充氣。仿真分析優化可縮短模具的開發時間，加快產品上市時間并提高產量。
