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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)，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(cè)可能發(fā)生氣泡的位置，這種方法太過粗略，而且對(duì)于最終氣泡移動(dòng)位置也不易預(yù)測(cè)。
FLOW-3D CAST 與絕熱氣泡模型（Adiabatic bubble model）
FLOW-3D CAST 是針對(duì)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(dòng)-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(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，在大部分狀況下使用者不需要這么強(qiáng)大的功能，原因在于當(dāng)金屬快速充填模具時(shí)，卷入金屬的微小空氣相對(duì)于金屬與金屬之間的湍流卷氣相對(duì)較少，因此可以將計(jì)算資源放在金屬融湯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。換句話說，如果模具本身的排氣良好（完美排氣），強(qiáng)迫軟件進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算追蹤反而會(huì)讓計(jì)算時(shí)間增加，導(dǎo)致額外的計(jì)算迭代誤差。
FLOW-3D為了在準(zhǔn)確度與計(jì)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(jì)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(gè)模型可追蹤空氣在與金屬液面作用時(shí)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(shí)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?yàn)榻饘倭黧w運(yùn)動(dòng)時(shí)被金屬融湯卷入金屬內(nèi)的氣體，特別是針對(duì)任何連續(xù)的空隙區(qū)域。在一般模擬狀況下，，在計(jì)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(jì)，但是這個(gè)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(shí)空氣所受的壓力相對(duì)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(jì)算會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)大的計(jì)算能力）。
然而，如果流動(dòng)過程中包含了多個(gè)氣泡，每個(gè)氣泡與金屬的邊界上都儲(chǔ)存著不同的壓力條件；在這種狀況下，每個(gè)氣泡的體積與承受壓力都必須遵循下列方程式
當(dāng)氣泡受到壓縮時(shí)，每個(gè)氣泡內(nèi)的壓力也會(huì)隨之增加，這些壓力會(huì)施加在氣泡周邊的金屬液體上。當(dāng)壓力足夠大時(shí)，氣泡會(huì)發(fā)生破裂。
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(cè)困入氣體最終的聚集位置，而評(píng)估鑄件可能發(fā)現(xiàn)缺陷的地方。
Fig2. 一些典型因?yàn)槔庠斐傻娜毕?– Courtesy of NADCA（北美壓鑄協(xié)會(huì)） [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?yàn)榉忾]的空氣區(qū)域造成，由于封閉時(shí)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(huì)擴(kuò)散到整個(gè)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?yàn)樗麄兊陌l(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)。
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(shí)，其信息就會(huì)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(huì)更大，更可能造成鑄件上的氣孔缺陷。
為了解決這個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)位置。氣泡會(huì)隨著金屬融湯運(yùn)動(dòng)，不會(huì)有擴(kuò)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(shí)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(huì)記錄氣泡最終的運(yùn)動(dòng)速度。由于其阻力和浮力效應(yīng)，粒子可能會(huì)偏移金屬流動(dòng)的路徑，這些會(huì)隨著粒子的尺寸而進(jìn)行改變。如果粒子進(jìn)入?yún)^(qū)域?yàn)榭諝鈪^(qū)域，尺寸會(huì)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(huì)受到壓力壓縮影響而變小。
數(shù)值模擬與驗(yàn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)。利用X-Ray的方式(Fig4)可以檢測(cè)最終粒子的集中區(qū)域與FLOW-3D的結(jié)果比對(duì)是否合理。
Fig4. X-ray 的結(jié)果，白點(diǎn)區(qū)域?yàn)闅饪兹毕?– Courtesy of Form Srl
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(shí)驗(yàn)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(cè)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).
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