凝固分析的案例
[案例分析]STARCCM+入門系列之——融化凝固
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 FLOW3D凝固與微縮孔模流分析的重要性
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 淺談重力鑄件模流分析
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。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 凝固過程中固-液的傳熱分析
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。
凝固模擬分析的博士論文
球墨鑄鐵的1
球鐵件凝固過程.part1.rar
球鐵件凝固過程.part2.rar
華鑄CAE 分析實例
能夠進行鑄件的凝固分析、充型分析以及流動和傳熱耦合計算分析；
三維造型平臺用戶可任選，絕大部分三維造型系統（包括Auocad R14/2000、PRO/E、UG、SOLIDEDGE、SOLDWORKS、I-DEAS、CATIA、MDT、金銀花等）均能與本系統順利接口；
自動網格剖分、速度快、穩定性好、容錯能力強，一般中等復雜程度鑄件，剖分千萬個網格幾分鐘內完成；
在微機上凝固分析處理網格數可達數千萬個，甚至上億個,軟件不限制網格數,僅受內存限制,計算任務一般在數小時之內完成,容量及速度在國內遙遙領先。
在微機上實現實用的流場分析、流動與溫度耦合計算，單元數可達數百萬個。流動場、耦合場分析技術在國內首屈一指。
后處理采用最新可視化技術、多媒體技術，豐富、直觀、生動，任意實時縮放、任意實時旋轉、任意實時剖切?？勺詣由蒟射線透視圖、凝固色溫圖、溫度梯度圖、鑄件結構圖、鑄型系統裝配圖、流動向量圖、填充體積圖、壓強分布圖、充型溫度分布圖等。顏色隨意調整、畫面直接打印。分析結果三維動畫自動合成，動畫演示直觀準確，透徹明了。動態過程完整細膩; 后處理中實時動態顯示技術、動畫顯示技術達到國際同類軟件的先進水平。
自動生成任意點溫度曲線，鼠標直接點取、方便靈活；
鑄件（鑄型）CT剖片，各種方向，任意剖片，直接明了；
孤立區全自動搜索，自動統計，最終缺陷預測；
應用了重力補縮技術，可以直接準確模擬縮孔縮松的形成過程，實現了縮孔縮松的位置、形狀和大小的定量的模擬
自動導航，無須操作菜單，無須記憶操作順序，舒適享受；
MSN:ggihpl@hotmail.com 電話：025－83723592
王（先生） 華鑄華東地區總代理和技術支持 華鑄CAE QQ群：10405125
http://www.ugchina.com.cn/huazhu
展開 基于ANSYS的某焊接件兩焊縫在順序焊接過程中的分析（生死單元應用案例）
網格單元
本實例中順序焊接分為如下步驟：
第一步0-1秒：右側焊接穩態分析（殺死左焊縫，施加右焊縫溫度和焊接件參考溫度）
第二步1-100秒：相變分析（刪除溫度載荷，施加對流熱傳導）
第三步100-1000秒：右側焊縫凝固分析
第四步1000-1001秒：激活左側焊縫單元進行穩態分析（施加左焊縫溫度）
第五步1001-1100秒：左焊縫相變分析
第六步1100-2000秒：左側焊縫凝固分析
第七步：結果后處理
ANSYS命令流：
FINISH
/FILNAME,Exercise ! 定義隱式熱分析文件名
/PREP7 ! 進入前處理器
ET,1,SOLID70 ! 選擇8節點實體熱分析單元
MP,KXX,1,.5e-3
MP,C,1,.2
MP,DENS,1,.2833
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000
MPDATA,ENTH,1,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 ! 定義右焊縫材料熱物理性能
MP,KXX,2,.5e-3
MP,C,2,.2
MP,DENS,2,.2833
MP,KXX,3,0.5e-3 ! 定義兩塊鋼板的熱物理性能
MP,C,3,.2
MP,DENS,3,.2833
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000
MPDATA,ENTH,3,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 !
展開 基于模擬技術 鑄件結構與工藝如何協同設計
采用ANSYS軟件進行結構應力分析評估鑄件的結構強度，采用ProCAST軟件進行鑄件的凝固過程分析，以提高鑄件的內在質量。軸箱體的應力分析和凝固過程分析重復進行，直到鑄件的強度滿足使用要求，而鑄件的內部尤其是受力關鍵部位無縮孔、縮松現象，從而使鑄件達到一個良好的鑄造可行性。圖1所示為協同設計的流程。通過計算機仿真技術，能夠縮短鑄件的研發周期，降低成本。
圖1 協同設計流程
1．原始方案的模擬
為了指導軸箱體的結構設計和評估其結構強度是否滿足使用要求，采用ANSYS軟件進行了軸箱體的應力分析。軸箱體的3D模型采用ProE軟件建立，如圖2所示。
采用ANSYS對軸箱體進行穩態的結構應力分析，得到的軸箱體應力分布云圖如圖3所示。
由圖3可知，最大應力發生在搖臂孔的邊緣，最大值是67MPa，該值遠低于材料的強度427MPa。因此，軸箱體的結構設計滿足其使用強度要求。采用ProCAST軟件進行軸箱體的凝固過程模擬，預測凝固過程中鑄件內部的缺陷分布。
根據鑄件的結構特點和受力分析的結果，基于順序凝固的原則，設計澆注系統，如圖4所示。在鑄件的厚大截面處放置冷鐵，在轉臂的上部增設冒口，起到補縮和集渣的作用。將建立澆注系統的鑄件模型導入ProCAST軟件中進行凝固過程分析，圖5所示為分析模型的網格剖分圖。
凝固模擬中，鑄件材料Al-A3004，其化學成分與Al7050較為接近。液相線溫度654℃，固相線溫度629℃。模擬結果以圖形的方式在計算機屏幕上顯示。為了關注鑄件內部的缺陷，選擇兩個截面進行分析，選取方式如圖6所示。
充型并凝固253s時，截面1和截面2的溫度場分布如圖7、圖8所示。由圖7可知，軸箱體的大應力位置A在凝固過程中最先凝固，從而該部位產生鑄造縮孔、縮松的傾向較小。
展開 Fluent 凝固融化/多相流 車用尿素在寒冷環境下加熱分析 ￥20
下面將用一個簡單模型說明如何分析尿素液的融化過程，對設計熱管的排布和計算融化時間有指導作用。
下圖中，紅色的為熱管（冷卻液管），灰色為100*100mm的一個水箱。尿素液冷凍后的液面位置為80mm處。
在環境溫度為-50℃下，冷卻液管固定溫度50℃，觀察1000s后尿素的融化過程。
由于使用這個案例來熟悉如何設置多相流和融化凝固模型，所以將問題簡化為一個2D模型。如下圖的一個截面作為計算域。
最終的計算結果如下：
圖1. 尿素的體積分數，不管過多久，尿素的體積分數在80mm下都為1.
圖2. 溫度分布，尿素的融化溫度為262K
圖3， 速度分布，上部的速度分布是空氣的，下部的是融化的尿素的
圖4. 融化過程，200s, 500s, 1000s 后的流體體積分數。紅色部分為流體
展開 AnyCasting V2.4 中文版 安裝預覽
方便友好的用戶界面
基于Windows的菜單
卓越的模擬速度和穩定性
僅用一種求解器(anySOLVER)進行各種鑄造成型模擬
能夠暫停，繼續，計算和保存臨時結果
重新啟動功能
準確預測熔體充型和凝固的數值模擬技術：
熔體充型過程分析模塊
定常流和非定常流的流動分析
凝固，流動，流動+凝固分析
熔體表面軌跡
SOR，Jacobi，隱式，顯式分析
牛頓，非牛頓粘性模型
三種類型的紊亂模型
三維表面張力和附壁模型
考慮任意軸的旋轉力
熔體冷卻和凝固模擬功能
根據溫度和時間考慮材料性能（熱傳導性，熱比，粘性等等）的變化
相變預測
根據時間，溫度，壓力和鑄造過程考慮接觸面間的熱傳導
收縮預測模型（Niyama，進料效率，剩余熔體模型等）
縮孔預測模型
微觀組織預測模型
機械性能預測
鑄造模擬的專業功能
重力收縮
缺陷預測
半固態分析
活塞分析
流動性分析
坩堝設置
兩種類型的水管建模功能
活塞和升液管建模
排氣孔和出口分析
循環鑄造分析
展開 華鑄CAE鑄造工藝分析軟件系統
“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件是分析和優化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學（原華中理工大學）經20多年研究開發，并在長期的生產實踐中不斷改進，完善起來的集成軟件系統，目前發行的版本是V8.0。它以鑄件充型、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件的成型過程進行工藝分析和質量預測，從而協助工藝人員完成鑄件的工藝優化工作。多年來在提高產品質量，降低廢品，減少消耗，縮短試制周期，贏得外商訂單等方面為眾多的廠家創造了顯著的經濟效益，在行業內享有廣泛的聲譽和信譽?！? 據統計，截止到2000年底，本軟件在廣大客戶的生產應用中取得的效益累計超過億元，到2005年12月，本軟件國外內的用戶近150家。
展開 
『原創』FLOW3D分析小述
鑄造方面主要是對填充與凝固分析，還有一個就是熱應力的分析，以判斷是否有裂紋的存在。填充與凝固的模擬分析，與現實中是很接近的，幾乎是一樣的，只要參數對的話，是具有一定的參考與指導的價值。熱應力的模擬是比較麻煩的一個過程，考慮的地方也是較為多面的，所以與現實還是有一定的距離。一般鑄造方面，并不需要熱應力的模擬，只要通過填充與凝固的模擬，就可以分析出應力的位置，也能夠得出模具設計是否合理。
壓鑄方面主要是對填充的分析，從而分析在壓鑄過程中的產品是否有包力而產生氣孔與冷紋等現象，通過流體的流向狀態與表面缺陷的氧化層情況，就可以判斷模具設計是否合理。
水力的分析也是一個填充的分析，判斷水壓的分析情況。
FLOW-3D應用范圍很廣，不單單鑄造、壓鑄與水力方面而已了，還有許多行業也是可以使用的。雖然功能很大，但一般在不同的行業里使用不同的功能，對于某一個行業就使用某個功能的，并不需要知道很多的操作，只要能夠用在自己的工作崗位上就可以了。
展開 關于NOVACAST高級鑄造工藝仿真，你了解多少？
工藝參數及方案優化分析
NOVACAST全面的仿真模擬系統，可進行鑄造工藝及模具結構的優化，包括：
①澆鑄系統、排氣孔和溢流槽的位置及個數優化；
②冒口的位置及大小優化；
③冷鐵的布局優化；
④模具冷卻及加熱管道布局方案優化；
⑤鑄造工藝參數的優化，包括澆注溫度、壓力、活塞、速度等
澆冒系統設計方案優化
相關模塊
模塊1 Novasolid CV凝固分析模塊
鑄造凝固過程模擬模塊，主要用于分析求解各種鑄造工藝的凝固過程，預測凝固過程的多種缺陷，包括縮孔、疏松等。
模塊2 NovaFlow CV充型流動分析模塊
本模塊進行所有鑄造工藝的金屬液充型流動過程分析，計算澆鑄溫度場、夾雜、粘砂、冷隔、澆不足、卷氣、偏析等缺陷，并可將縮孔結果輸出。
模塊3 NovaStress CV鑄造應力分析模塊
本模塊為附加模塊，用于計算由凝固過程造成的鑄件鑄造應力結果，包括殘余應力分布、鑄件收縮變形、冷裂、熱裂及應力輸出等。
模塊4 NovaMethod-Foundry CAD鑄造系統CAD專業建模模塊
本模塊可單獨使用或作為附加模塊使用，用于建立、編輯澆冒系統、鑄件等CAD模型，具有與多種主流CAD軟件的幾何模型接口，并能實現模型修改、快速建立澆流道及冒口模型等功能。
模塊5 Foundry Tech 澆注及補縮系統設計計算模塊
用于澆流道系統、冒口、過濾網、套筒、補縮距離等結構優化設計計算的模塊，適用于各種鑄造工藝。
模塊組合包1 NovaFlow&Solid CV充型及凝固分析組合包
用于計算鑄造充型及凝固過程的組合包，適用于各種鑄造工藝。
展開 壓鑄模流分析實例
ppt下載地址，包括充型、凝固分析。
http://d.namipan.com/d/33ae9c6e7ae224f8d77588b69a7a3cfb15c2407545917301
華鑄CAE/ InteCAST—鑄造工藝分析軟件集成系統
華鑄CAE?/ InteCAST?—中國鑄造領域最著名的模擬分析系統。是華中科技大學（原華中理工大學）經20年的研究與開發，并在長期的生產實踐檢驗中不斷改進、完善起來的一項軟件系列產品。華鑄CAE?/ InteCAST?鑄造工藝分析軟件集成系統是分析和優化鑄件鑄造工藝的重要工具，它以鑄件充型過程、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件進行鑄造工藝分析?？梢酝瓿啥喾N合金材質（包括鑄鋼、球鐵、灰鐵、鑄造鋁合金、鑄造鋁合金等）、多種鑄造方法（砂型鑄造，金屬型鑄造，壓鑄，低壓鑄造，鐵模覆砂鑄造等）下鑄件的凝固分析、流動分析以及流動和傳熱耦合計算分析。實踐應用證明，本系統在預測鑄件縮孔縮松缺陷的傾向、改進和優化工藝，提高產品質量，降低廢品率、減少澆冒口消耗，提高工藝出品率、縮短產品試制周期，降低生產成本、減少工藝設計對經驗對人員的依賴，保持工藝設計水平穩定等諸多方面都有明顯的效果。
華鑄CAE?/ InteCAST?的研制與開發過程中，先后完成了多項國家及省部級科研攻關項目，并獲得多項省部級科技進步獎。其中包括中國船舶工業總公司的“鑄造工藝參數的優化”、湖北省科委的重點科技攻關項目“球墨鑄鐵凝固模擬及鑄造工藝CAD”、 “多材質鑄件凝固模擬及鑄造工藝CAD” 及國家教委博士點專項基金項目“氣化模鑄造充型過程數值模擬及其質量控制”等。上述項目均已通過省部級組織的專家鑒定，鑒定認為諸多成果處于國內領先地位，達到國際先進水平。
正在承擔的重要項目有國家經貿委的“國家技術創新項目”一項，國家自然科學基金一項，國家航天支撐基金一項，解放軍總裝備技術攻關子項目二項以及其它眾多橫向項目。
目前“華鑄CAE”集成化軟件系統在國內市場占有率達80%左右，首鋼、鞍鋼、東風汽車公司、浙江大學、航天三院等一百家工礦企業、科研院校使用該系統，幾年來為企業帶來直接經濟效益兩億多元。
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