凝固分析
關注創建者：配角 創建時間：2016-11-10
凝固分析的視頻教程
凝固分析的實例教程
1、問題描述
本案例演示本教程演示如何在STAR-CCM+ 中設置融化和凝固分析，其中模擬了水在管道中的凍結情形。模型如下：
2、軟件設置
（1）選擇物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分離流求解器來求解瞬態雷諾平均納維－斯托克斯方程。在激活流體域體積(VOF) 模型后，才可將融化和凝固選項用于歐拉相。物理模型的選擇如下：
（2）定義用于融化-凝固模型的液相；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇流體和恒密度，融化-凝固模型。
將固相體積分數閾值設置為高于液相中使流體停止的值。在Eulerian Phases > H2O >Models節點，流體停止相對固體分數設置為0.999，亞松弛因子設置為0.1。
（3）設置初始條件；場函數將初始壓力場設置為線性分布：此分布接近期望的求解。用這種方式設置初始壓力可減少獲得求解所需的時間。指定入口和出口處的壓力分布以正確定義線性壓力場。創建進口壓力，出口壓力場函數。
（4）設置邊界條件；流體域的邊界條件設置類型如下：
先設置入口邊界條件。入口溫度是273.1 K，體積分數是 1.0。在反向流的情況下，則從壓力出口的指定壓力中扣除動態壓力以及因湍流造成的應力。因此，將入口壓力分布指定為：1+動壓；如入口壓力場函數中所指定。此設置的目的是，確保在水流入管道時靜態入口壓力實際始終為1.0 Pa。
出口壓力設置為環境壓力，即0 Pa 表壓。不過，上一節已為出口壓力定義了一個場函數，在此處再次使用。這種方法的優點是：如果必須更改整個域的壓力分布，僅在一個位置更改出口壓力即可，而不是兩個位置。
展開 微縮孔特性的模流分析，在FLOW3D軟件里面，是9.x版本新增加的一個功能，這個功能對于壓鑄領域來說是沒什么用處的，但對于鑄造方面是非常重要的。
對于低壓鑄造與重力鑄造等收縮系數較大的成型工藝，就需要分析凝固過程與微縮孔缺陷的分布問題。低壓鑄造與重力鑄造的收縮系數是較大的，一般是2%左右的，所以需要通過凝固過程而考慮補縮問題，從而分析縮孔的問題。而因為鑄造收縮系數大，單單分析凝固過程是不夠的，還要進行微縮孔的分析，從而判定微縮孔與針孔等細小缺陷問題。
因此，對于低壓鑄造與重力鑄造等鑄造方面，需要溫度場、凝固場與微縮孔缺陷場，而并不需要分析表面缺陷場。
對于壓鑄方面，因為壓鑄的收縮系數小，差不多為0.6%，所以壓鑄的組織性較為致密，從而不可能出現微縮孔、針孔的問題。一般通過分析表面缺陷就可以判定氣孔或冷紋等缺陷問題就可以的。
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展開 由圖可見，在產品在厚大的熱節部位會產生嚴重的縮孔缺陷，必須布置補縮結構消除熱節才能消除縮孔缺陷；
2、模擬分析
2.1方案設計
為解決產品凝固分析過程發現的縮孔鑄造缺陷，需要對產品缺陷部位進行充分補縮。由于中注式鋁液填充較頂注式平穩，鑄型熱量分布較底鑄式合理，遂采用中注式設計澆注系統，讓高溫鋁液通過澆道，對產品收縮的部位進行補縮，理論上有利于消除縮孔缺陷。
2.2參數設置
使用模流分析軟件對帶澆冒口的工藝方案進行模擬分析，結合我司重力鑄造平臺的實際情況，主要的工藝參數，設置如下；
2.3傾轉充型過程模擬分析
鑄件的充型過程與澆注系統有很大的關系，合理的澆注系統設計能夠使鋁液流動平穩，避免鋁液在填充過程中卷氣。使用工具軟件模擬澆注過程中的鋁液流動。
為了使模擬狀態與實際澆注過程相符，如圖a設置傾轉前等待時間3s，傾轉時間13s所以傾轉結束時間是16s，鋁液在重力的作用下由澆道進入產品型腔，填充過程平穩，由下到上充滿型腔，有利于排氣和雜質的上浮圖e，圖d可以明顯看到鋁液在兩側的型腔中充滿高度不一樣，這是由于鋁液填充的形狀不一樣造成的。由于采用中注試澆注系統，鋁液在流動過程中無飛濺和紊流現象，同時也減輕了鋁液對金屬型模具的沖刷，滿足工藝設計要求。
2.4凝固分析
通過工具軟件模擬產品的凝固過程，可以直觀的看到鑄件的熱節部位和凝固過程的孤立液相區，為判定鑄造工藝方案的可行性提供依據。
對工藝方案進行凝固模擬分析輸出結果如圖所示，紅色表示未凝固的液相區域。可見產品凝固方向由四周到中間，由產品到澆口，澆口補縮效果明顯，符合順序凝固方式。產品內部無產生縮孔、縮松的缺陷風險。
2.5模擬分析結論
從模擬的結果來看，鋁液在傾轉流動過程中無明顯的卷氣現象，凝固過程也符合順序凝固方式，產品內部無熱節，無縮孔的質量風險。
展開 為一個幾何模型，模型最外側流體區域，中間為一個固體區域，流體區域內充滿相變材料，設置響應凝點，熔點，潛熱等，流體壁面設置溫度邊界層，計算中，固體設置一個初始溫度，高于相變材料的熔點，計算瞬態過程，初始時刻，計算域內相變材料表現為液態，隨著向外界散熱，液相的材料逐漸凝固，并導致計算域中的固體區域溫度降低，檢測了固體表面上溫度的變化，可以看出隨著時間的推移，固體表面的溫度區域穩定，為流體區域外界的室溫。
球墨鑄鐵的1
球鐵件凝固過程.part1.rar
球鐵件凝固過程.part2.rar
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采用樹脂砂造型結合階梯式澆注系統，搭配三維模擬軟件進行凝固分析，可將傳統工藝中3%的縮孔率降至0.8%以下，有效避免冷隔、夾渣、氣孔等鑄造缺陷。同時，平臺底部采用網格狀或箱體式加強筋設計，在保證剛性的同時，還能減輕15%的重量，實現“輕便與堅固”的雙重平衡。這種加強筋結構能讓平臺的抗彎強度提升30%以上，即便長期受力不均，也不會出現彎曲變形。
時效處理內應力。這是平臺“長期不變形”的核心關鍵。
文章提供了M3DPen中熔融金屬的沉積和凝固的3D瞬態分析結果。
4. 分析結果有助于更好地理解M3DPen打印過程中熔融金屬的行為和特性。
溫度梯度和生長速率對凝固微觀組織和機械性能的影響
獨立3D結構的連續制造
M3DPen可以實現連續金屬3D打印自由支撐和懸臂結構。
圖 7 凝固方向示意圖(a)、溫度場分布(b)、缺陷位置預測(c)、實際鑄件比對(d)
3D打印陶殼模鑄模不均厚殼模設計與方向凝固控制分析
觀察模擬分析結果如圖 8所示，藉由澆冒口殼模厚度增加，觀察不均厚殼模厚度比1~8的金屬液凝固過程。
凝固過程中鑄件收縮造成縮孔
? FLOW-3D CAST 凝固分析確認了該位置的孔洞并非凝固形成的縮孔。
2. 氫氣析出造成氣孔
? 成型前對材料進行了前處理，排除這個因素。
3. 砂芯產生氣體造成氣孔
? 如果是砂芯產生氣體，氣體位置應該是均勻分布，而非聚集一處。
4. 澆注過程中卷入氣體
?
可能原因1.
1.2運用模流軟件對產品進行凝固分析。由圖可見，在產品在厚大的熱節部位會產生嚴重的縮孔缺陷，必須布置補縮結構消除熱節才能消除縮孔缺陷；
2、模擬分析
2.1方案設計
為解決產品凝固分析過程發現的縮孔鑄造缺陷，需要對產品缺陷部位進行充分補縮。
一、仿真開發環境
二、CAD建模功能
三、支持標準CAD格式文件的導入
四、完善的2D、3D全參數化建模功能
五、求解分析功能
1、流體力學模塊支持穩態單相流、瞬態單相流、瞬態多相流和凝固過程分析，具備多重坐標系旋轉流場模擬功能；
2、固體力學模塊支持通用靜力、模態和屈曲分析，支持接觸非線性、幾何非線性和材料非線性計算；
3、電動力學模塊支持靜電場、靜磁場、時諧磁場、瞬態磁場和場路耦合分析
通過凝固模擬可以分析金屬液在鑄型中的凝固順序，并可對凝固過程中出現的缺陷進行預測。
目前，數值模擬技術已經廣泛的應用于鑄造工藝設計。
通過凝固模擬可以分析金屬液在鑄型中的凝固順序，并可對凝固過程中出現的缺陷進行預測。
目前，數值模擬技術已經廣泛的應用于鑄造工藝設計。
《Flow_3D Cast應用初級培訓》的具體信息如下：
二、 適用人員
壓鑄工程師、模具設計工程師
三、時間和地點
時間：11月23-24日（周六-周日）
地點：江蘇*蘇州
四、課程目標
（一）了解軟件用戶界面、物理模型；
（二）掌握模型建立、幾何導入、網格劃分、參數設定等模擬基本操作；
（三）掌握壓鑄全過程模擬：模具熱循環（熱模）、充型、凝固分析
（四）
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。
