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以下將以實際設計以及操作的方式,說明如何利用鑄造模流分析系統 ConiferCast 進行柱塞頭移動的多段充填模擬。 以下為模擬前所提供的資訊圖檔
1•  圖檔:柱塞頭含部分成品, STL 格式
2•  金屬:鋁合金( AlSi-10 Mg )
3•  充填段數:兩段
第一段: 0.325 sec ;充填速度 2.5 m /sec
第二段: 0.33 sec ;充填速度 8 m /sec
在以 ConiferCast 模擬柱塞頭之充填時,首先要準備的圖檔如下
1. 柱塞頭含部分成品
2. 柱塞頭內的金屬(如果使用者要模擬金屬溶湯先流入柱塞頭,再模擬柱塞頭推進,就不用準備此部分模型)
3. 柱塞頭
圖檔的格式為 STL 圖檔

圖 1 、準備的圖檔( STL 格式)

步驟一、讀入圖檔
目前 ConiferCast 已經為全中文介面,因此可以在中文介面下直接選取圖檔。 ConiferCast 會自動將 STL 檔重疊,因此只要在繪製 CAD 圖檔時將所有相關的物件擺放正確,在轉出 STL 圖檔,讀入 ConiferCast 後,圖檔便會依照使用者原本的擺放方式放置完成。
另外,為了方便使用者的操作,所有的 CAD 圖檔全部以 mm 為單位,但是在定義速度等相關參數時則是以 m 為單位, ConiferCast 會自動完成所有的單位轉換,使用者不用再擔心單位定義錯誤。

圖 2 、 ConiferCast 讀取 STL 圖檔

步驟二、圖檔定義
讀入圖檔後,以幾何指定的方式定義所有的 STL 圖檔。例如柱塞及產品的圖檔定義為『 GAS 』,因為在模擬時其為空氣存在的區域。而流體的圖檔則是定義為『 METAL 』,因為在模擬時其為金屬熔湯存在的區域。柱塞頭的圖檔定義為『 MOVING 』,因為在模擬時柱塞頭會移動,因此必須定義為移動物件。

圖 3 、指定在柱塞內的金屬種類( AlSi-10 Mg )


圖 4 、指定柱塞頭的移動速度,此處為兩段設定


圖 5 、 ConiferCast 完成設定之幾何設定

ConiferCast 會以顏色來區分不同物件的定義。灰色物件是空氣的區域(未填滿金屬),藍色物件則是目前金屬熔湯的區域,紅色物件則是柱塞頭。

步驟三、網格設定
ConiferCast 完整支援 Flow-3D 之 FAVOR / Multi-Mesh Block 等設定,因此在建立網格的方式與 Flow-3D 完全相同;不過 ConiferCast 提供以滑鼠拖拉的方式直接調整網格尺寸,因此建立網格的工作時間可大幅縮短。另外, ConiferCast 能夠同步估算目前的網格數量及尺寸所需之記憶體空間,這對於使用者而言非常方便(可避免因為硬碟空間不足而導致分析中斷)。

在此案例中由於僅要瞭解柱塞頭移動對金屬熔湯的影響,因此網格僅建立至成品的一小部分。

圖 6 、 ConiferCast 網格設定

步驟四、邊界條件設定
由於柱塞頭移動模擬時的唯一移動件(柱塞頭)已經在幾何物件定義時設定移動速度了,因此在網格的邊界條件設定上就不需要再指定任何條件(維持內定值)。唯一要注意的,是與產品其他區域連接的面,必須設定為一大氣壓,確保在充填過程中模穴內有空氣會對其充填造成影響。

圖 7 、 ConiferCast 邊界條件設定


圖 8 、成形金屬及模具材料指定

另外,還必須指定成形之金屬材料以及模具材料。 ConiferCast 提供完整的材料資料庫,而使用者也可以自行輸入常用之材料。

步驟五、一般及數值設定
ConiferCast 為了讓使用者快速的上手,因此將原本繁複的計算設定方式簡化成幾個步驟,例如僅計算流體流動(同時考慮熱傳或者不考慮熱傳);或者是計算從流動到固化(一般鑄造件要模擬縮孔時可以直接模擬到固化結束);如果使用者對於模具溫度比較有興趣,也可以僅模擬水路系統對成型循環 N 次後之模具溫度的變化( Thermal Die Cycling );如果要模擬熱應力的影響,也可以將熱應力對製品的應力分佈結果加入。另外在數值設定的部分,為了簡化使用者的設定, ConiferCast 已經將計算選項設定於適用鑄造之數值模擬,如此可簡化使用者的操作工作。

圖 9 、 ConiferCast 分析選項設定

步驟六、執行分析
在完成設定後,直接在 ConiferCast 內執行『 Calculate 』 - 分析,程式就會開始進行模擬。在分析執行前, ConiferCast 還會輸出 Prepin.inp 檔。如果使用者對於 Flow-3D 較為熟悉,也可以直接以 Flow-3D 執行該設定檔。

步驟七、結果輸出
完成分析後,可以直接在 ConiferCast 內讀取分析結果。除了可以設定在不同的時間點之充填結果外,還可以用 AVI 格式輸出柱塞頭移動時之動畫。

圖 10 、 ConiferCast 之結果輸出


圖 11 、充填之速度變化( ConiferCast 輸出結果)

除了可以在 ConiferCast 內讀取結果外,由於 ConiferCast 的結果與 Flow-3D 是共通的,因此也可以在 Flow-3D 內讀取分析結果。

圖 12 、充填之壓力變化( Flow-3D 輸出結果)


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