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充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2019-04-10
核心提示:Raul. Pirovano, XC Engneering SrlStefano. Mascetti, XC Engneering Srl前言隨著鑄造模擬軟件的高可靠度、高效率以及準(zhǔn)確性,

Raul. Pirovano, XC Engneering Srl

Stefano. Mascetti, XC Engneering Srl

前言

隨著鑄造模擬軟件的高可靠度、高效率以及準(zhǔn)確性,越來越多的企業(yè)通過數(shù)值模擬解決缺陷問題,并且借助軟件提出鑄件工藝的改善方案。然而,盡管有越來越強大的計算機工作站,能夠處理上百萬網(wǎng)格的仿真數(shù)據(jù),一旦缺陷尺寸小于網(wǎng)格或是接近網(wǎng)格尺寸,數(shù)值模擬就不容易發(fā)現(xiàn)問題。事實上,以常見的高壓鑄造(High Pressure Die Casting)工藝而言,如果以軟件進(jìn)行模擬時,每當(dāng)卷入空氣的尺寸小于網(wǎng)格尺寸,數(shù)值模擬就無法繼續(xù)追蹤該氣泡位置及相關(guān)信息。 因此,使用者多半僅能根據(jù)充填的最后位置以及卷氣信息,猜測可能發(fā)生氣泡的位置,這種方法太過粗略,而且對于最終氣泡移動位置也不易預(yù)測。

FLOW-3D CAST 與絕熱氣泡模型(Adiabatic bubble model)

FLOW-3D CAST 是針對各種鑄造工藝開發(fā)的軟件,其包含了能夠完整模擬鑄件以及模具的金屬流動-熱傳功能。FLOW-3D CAST 雖然可以提供追蹤金屬與空氣之間相互運動的流體動力學(xué)計算,在大部分狀況下使用者不需要這么強大的功能,原因在于當(dāng)金屬快速充填模具時,卷入金屬的微小空氣相對于金屬與金屬之間的湍流卷氣相對較少,因此可以將計算資源放在金屬融湯的相對運動。換句話說,如果模具本身的排氣良好(完美排氣),強迫軟件進(jìn)行相關(guān)運算追蹤反而會讓計算時間增加,導(dǎo)致額外的計算迭代誤差。

FLOW-3D為了在準(zhǔn)確度與計算快速兩者之間取得最佳解,目前提供兩種空氣模型供用戶進(jìn)行計算,分別是卷氣模型(air entrainment model)以及絕熱氣泡模型(adiabatic bubble model)。卷氣模型[1]主要是用來模擬自由液面湍流造成的卷氣現(xiàn)象,這個模型可追蹤空氣在與金屬液面作用時逃逸出之位置描述,這些空氣代表從金屬融湯內(nèi)的損失量,其能夠有效的用于追蹤流體-氣體體積膨脹與相關(guān)的浮力效應(yīng)造成的卷入空氣,以及空氣溢出金屬融湯時之位置。

絕熱氣泡模型[2]同樣是追蹤氣泡位置,但是其主要是追蹤因為金屬流體運動時被金屬融湯卷入金屬內(nèi)的氣體,特別是針對任何連續(xù)的空隙區(qū)域。在一般模擬狀況下,,在計算上可以假設(shè)所有的連續(xù)空隙區(qū)域其壓力、溫度、體積以及慣性都是均勻的,接口處的摩擦力可忽略不計,但是這個現(xiàn)象的先決條件,在于假設(shè)空隙內(nèi)的空氣密度比充型金屬時空氣所受的壓力相對小很多的狀況下。絕熱氣泡模型能夠提供高效率且精確的模擬結(jié)果(追蹤氣體計算會耗費相當(dāng)大的計算能力)。

然而,如果流動過程中包含了多個氣泡,每個氣泡與金屬的邊界上都儲存著不同的壓力條件;在這種狀況下,每個氣泡的體積與承受壓力都必須遵循下列方程式

充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

當(dāng)氣泡受到壓縮時,每個氣泡內(nèi)的壓力也會隨之增加,這些壓力會施加在氣泡周邊的金屬液體上。當(dāng)壓力足夠大時,氣泡會發(fā)生破裂。

充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

Fig1. 高壓鑄造工藝中發(fā)生的氣泡(顏色代表壓力數(shù)值)

微小氣泡追蹤: FLOW-3D CAST V5

絕熱氣泡模型能夠追蹤充填過程中的空氣區(qū)域,用戶可以根據(jù)猜測困入氣體最終的聚集位置,而評估鑄件可能發(fā)現(xiàn)缺陷的地方。

充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

Fig2. 一些典型因為困氣造成的缺陷 – Courtesy of NADCA(北美壓鑄協(xié)會) [3]

這類型的缺陷可以透過絕熱氣泡模型進(jìn)行數(shù)值仿真并且追蹤,主要的原因在于這些氣孔最先是因為封閉的空氣區(qū)域造成,由于封閉時內(nèi)部壓力增加,在金屬充填過程中他們具有明確的形狀,無法用流體的分散量進(jìn)行追蹤。這種困氣缺陷可能分散成更多的小氣孔缺陷,但是他不會擴散到整個金屬鑄件上。

因此,這種困氣缺陷不能利用FLOW-3D的卷氣模型或是表面缺陷追蹤模型(surface defect tracking model)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)(Fig.3),因為他們的發(fā)生原因與上述兩者的氣泡發(fā)生原因完全不同。卷氣模型與表面缺陷追蹤模型都是追蹤自由液面上發(fā)生的困氣與氧化模等雜質(zhì)。

充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

Fig3. 高壓鑄造的卷氣追蹤(左圖)與表面缺陷追蹤(右圖)

絕熱氣泡模型的最大限制,在于其追蹤的氣泡尺寸必須大于網(wǎng)格尺寸。當(dāng)氣泡比網(wǎng)格還小時,其信息就會失去記錄。在高壓鑄造的最后部分,由于這些氣泡內(nèi)部壓力會更大,更可能造成鑄件上的氣孔缺陷。

為了解決這個問題,F(xiàn)LOW-3D進(jìn)行了相關(guān)的程序客制化開發(fā),并且于FLOW-3D CAST V5提供了這個缺陷追蹤功能。在最新版本的 FLOW-3D CAST V5,能夠追蹤在充填階段氣泡的生成與運動位置。氣泡會隨著金屬融湯運動,不會有擴散現(xiàn)象。另外,氣泡的直徑也能夠隨之記錄。

FLOW-3D CAST V5將氣泡崩塌時轉(zhuǎn)換成質(zhì)量粒子。正確的說是以質(zhì)量粒子的方式記錄消失的氣泡,粒子會記錄氣泡最終的運動速度。由于其阻力和浮力效應(yīng),粒子可能會偏移金屬流動的路徑,這些會隨著粒子的尺寸而進(jìn)行改變。如果粒子進(jìn)入?yún)^(qū)域為空氣區(qū)域,尺寸會隨著壓力變化而增大。反之如果在充填末段增加飽壓壓力,粒子的體積也會受到壓力壓縮影響而變小。

數(shù)值模擬與驗證

V5的氣泡模型能夠追蹤最后氣體粒子的集中區(qū)域,數(shù)值模型仍然需要實驗進(jìn)行比對。利用X-Ray的方式(Fig4)可以檢測最終粒子的集中區(qū)域與FLOW-3D的結(jié)果比對是否合理。

充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

Fig4. X-ray 的結(jié)果,白點區(qū)域為氣孔缺陷 – Courtesy of Form Srl

充填模擬階段的穴蝕氣泡追蹤研究-Tracking of collapsed bubbles during a filling simulation

Fig5. 高壓鑄造充型結(jié)果, 氣體粒子以顏色方式標(biāo)示體積大小

結(jié)論

高壓鑄造的卷氣造成的鑄件缺陷,可以在FLOW-3D CAST V5得到更佳的追蹤結(jié)果,而這些結(jié)果也已經(jīng)在實驗中證明利用不同的數(shù)值模型,可以讓FLOW-3D CAST 更精確的預(yù)測鑄件缺陷。

【參考文獻(xiàn)】

[1] C. W. HIRT, Modeling Turbulent Entrainment of Air at a Free Surface, Flow Science Report 01-12, (2012).

[2] C. W. HIRT, Void Regions and Bubble Models in FLOW-3D, Flow Science Report 01-13, (2013).

[3] W. G. WALKINGTON, Die Casting Defects Troubleshooting Guide, NADCA, Alington Heights, Illinois (2003).

聯(lián)系方式

帕盛博(蘇州)軟件科技有限公司 (FLOW-3D)

www.psb-f3.com

info@psb-f3.com

 

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