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一、前言
在傳統的金屬鑄造模擬分析中,分析軟體的準確度以及操作簡易度是不容易同時達到的。除了由於鑄造的流動模式相當複雜外,各種鑄造製程所需要定義的參數不同也造成了使用者在使用此類的軟體時會有心理上的障礙。Flow-3D 是由美國 Flow Science 所開發的計算流體力學軟體。由於其以質量、動量基本物理定律以及能量不滅原理為基礎,能夠精確的模擬各種不同的物理現象,因此早在八零年代便廣泛的應用於需要複雜流動模擬的鑄造領域上。利用 Flow-3D 所開發完成之製品(如 1998 年獲得 International Magnesium Association 所頒發的優秀設計獎 的 AUDI V6 鎂鋁合金引擎、如圖 1 ;以及 2000 年開發完成之 DaimlerChrysler S-Class & CL Coupe V12 引擎、如圖 2 )均證明了 Flow-3D 優異的分析能力以及適用性。

圖 1 、以 Flow-3D 模擬開發之 AUDI V8 鎂鋁合金引擎


圖 2 、以 Flow-3D 模擬開發之 Daimler-Chrysler V12 引擎
(應用於 Mercedes-Benz S-Class & CL Coupe )

但是對於部分使用者而言, FLOW-3D 的操作介面比較複雜,再加上鑄造製程的多樣化,使用者在利用 FLOW-3D 進行操作時往往會因為輸入參數較複雜而手忙腳亂。為了讓使用者能夠利用這套優秀的鑄造分析系統進行模擬,本公司特別針對 FLOW-3D 在鑄造工程分析模擬專用系統 – ConiferCast ,進行中文化介面轉換,希望讓更多對於鑄造模擬有興趣的廠商以及研究單位能夠快速的熟悉鑄造工程模擬系統 – ConiferCast 。
ConiferCast 是以 FLOW-3D 為計算核心所開發完成之專業鑄造模擬工程系統,可以完全模擬鑄造過程中高溫金屬熔湯從高溫到室溫整個的流動 / 冷卻凝固物理現象,並且能夠精確的顯示各種鑄造缺陷,例如縮孔、裂紋、包風、沖砂、冷卻,以及充填不足等現象。圖 3 為 ConiferCast 的系統架構圖。

圖 3 、 ConiferCast 系統架構圖

二、案例說明

以下,將以一鋁製鑄造件,說明如何以 ConiferCast 執行壓鑄模擬。
步驟一、讀入 STL 圖檔以及定義模穴
ConiferCast 除了可以進行鑄件充填模擬外,還包括了冷卻及固化模擬等。因此在讀入圖檔時,必須定義幾何屬於模穴或者是水路。

圖 4 、讀入 STL 圖檔以及定義

有些類似的產品的澆注設計往往相同,使用者可以將其存入『資料庫』內,以後分析時便不需要重新繪製澆道的實體模型。另外, ConiferCast 也將許多已經參數化(僅需輸入數值便可變更尺寸)的澆道幾何模型建立成資料庫系統,使用者只要直接選取規格便可加入分析中。

圖 5 、從資料庫內讀入幾何參數

步驟二、建立網格
ConiferCast 採用 Flow-3D 為核心,自然採用 Flow-3D 著名的 VOF 及 FAFOR 技術。除此之外,最新版本的 ConiferCast V2.5.0 也完全支援 Flow-3D 的 Multi-Mesh Block 技術(如圖 6 ),不但可以大幅減少所需之網格數量,還能夠讓使用者在現有硬體限制下調整出最適合的網格數量。

圖 6 、 Flow-3D Multi-Mesh Block 功能

在 ConiferCast 中,除了加強多網格區塊設定及顯示功能外, ConiferCast 還同時提供網格數量及記憶體需求等預算功能,讓使用者在建立網格時能夠同時評估現有的硬體配備需求,以求在有限的硬體資源中取得最大的分析效能。

圖 7 、網格設定(支援 Flow-3D Multi-Mesh Block 功能)

在計算分析上, ConiferCast 採用 Flow-3D 的計算核心,因此除了在計算核心上有完整的流動資訊完,在前後處理器上也能簡化 Flow-3D 在操作上的複雜度。 ConiferCast 能夠直接輸出 Flow-3D 的輸入檔( Prepin.inp File ),還能夠直接讀取 Flow-3D 的結果檔,不論是舊有的 Flow-3D 用戶,或者是沒有接觸過類似系統的新使用者而言,都能夠大幅縮短上手時間。
在本次測試案例中,以兩種不同的流道系統進行測試,並且輸出結果做為比對。
圖 8 及圖 9 為設計方案一之流動波前圖,而圖 10 及圖 11 則是設計方案二之流動波前圖。

圖 8

圖 9

圖 10

圖 11

除了流動波前的動畫外, ConiferCast 還能夠將鑄造時空氣捲入金屬的區域以不同的顏色顯示。圖 12 及圖 13 為設計方案一之金屬捲氣圖,而圖 14 及圖 15 則是設計方案二之金屬捲氣圖。

圖 12

圖 13

圖 14

圖 15

如果使用者對於 Flow-3D 的介面比較熟悉的話,由於 ConiferCast 的分析結果與 Flow-3D 是完全相通的,因此也可以從 Flow-3D 上直接讀取 ConiferCast 的分析結果。圖 16 及 圖 17 則是在 Flow-3D 內擷取出的流動波前圖。

圖 16

圖 17

ConiferCast 支援多種鑄造製程,包括了重力鑄造、低壓及高壓鑄造、傾斜鑄造,以及精密鑄造等。另外 ConiferCast 還支援料管部分的模擬,使用者可以採用多段料管推進設定來模擬進料時的捲氣現象,這對於鑄造模擬的精確度上可大幅升高。對於希望提升鑄造製程模擬的客戶而言,採用 Flow-3D 為核心的 ConiferCast ,是讓內部使用者快速上手,找出鑄造問題的絕佳選擇。

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