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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 發布日期:2019-04-10  瀏覽次數:152
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、高效率以及準確性,越來越多的企業通過數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,能夠處理上百萬網格的仿真數據,一旦缺陷尺寸小于網格或是接近網格尺寸,數值模擬就不容易發現問題。事實上,以常見的高壓鑄造(High Pressure Die Casting)工藝而言,如果以軟件進行模擬時,每當卷入空氣的尺寸小于網格尺寸,數值模擬就無法繼續追蹤該氣泡位置及相關信息。 因此,使用者多半僅能根據充填的最后位置以及卷氣信息,猜測可能發生氣泡的位置,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),強迫軟件進行相關運算追蹤反而會讓計算時間增加,導致額外的計算迭代誤差。

FLOW-3D為了在準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的浮力效應造成的卷入空氣,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的氣體,特別是針對任何連續的空隙區域。在一般模擬狀況下,,在計算上可以假設所有的連續空隙區域其壓力、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,但是這個現象的先決條件,在于假設空隙內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果(追蹤氣體計算會耗費相當大的計算能力)。

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

當氣泡受到壓縮時,每個氣泡內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。當壓力足夠大時,氣泡會發生破裂。

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

Fig1. 高壓鑄造工藝中發生的氣泡(顏色代表壓力數值)

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域,用戶可以根據猜測困入氣體最終的聚集位置,而評估鑄件可能發現缺陷的地方。

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(北美壓鑄協會) [3]

這類型的缺陷可以透過絕熱氣泡模型進行數值仿真并且追蹤,主要的原因在于這些氣孔最先是因為封閉的空氣區域造成,由于封閉時內部壓力增加,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)進行發現(Fig.3),因為他們的發生原因與上述兩者的氣泡發生原因完全不同。卷氣模型與表面缺陷追蹤模型都是追蹤自由液面上發生的困氣與氧化模等雜質。

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格尺寸。當氣泡比網格還小時,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,FLOW-3D進行了相關的程序客制化開發,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將氣泡崩塌時轉換成質量粒子。正確的說是以質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,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行改變。如果粒子進入區域為空氣區域,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域,數值模型仍然需要實驗進行比對。利用X-Ray的方式(Fig4)可以檢測最終粒子的集中區域與FLOW-3D的結果比對是否合理。

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 的結果,白點區域為氣孔缺陷 – 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. 高壓鑄造充型結果, 氣體粒子以顏色方式標示體積大小

結論

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

【參考文獻】

[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).

聯系方式

帕盛博(蘇州)軟件科技有限公司 (FLOW-3D)

www.psb-f3.com

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