使用CFD仿真分析工具–研究重力铸造模具的泄漏

案况概述

模具设计是一项非常复杂的任务，不仅要考虑流体动力学和金属凝固模式，还要考虑模具本身可能产生的问题以及它如何对传热产生的应力问题。位于意大利的模具制造公司CM Taricco最近遇到了一个新模具底部的金属泄漏问题。最初并不知道模具泄漏的原因，问题是在几个工艺周期后才出现。很明显，这个问题非常重要，因为它会影响产品交付时间并大大增加铸件的成本。我们在铸造实践案例库中抽取了一个典型案例，本文介绍CM公司如何运用CFD工具进行仿真分析，定位问题并优化设计。

评估一个设想

这个过程本身就是一种重力铸造，具有良好控制的浇注动态和溢流设计，所以问题不可能来自流体动力学部分。Gabriele Taricco（CM Taricco公司员工）的假设是，金属泄漏是由于模具散热不良的设计造成的，导致温度分布不均匀，从而导致模具底部温度过高的而引起的变形，这是循环后一直循环到金属可能流出的关键区域的开放。为了验证这一点，并找到解决问题的快速解决方案，我们 运行了 FLOW-3D模拟，以准确显示模具加热过程中发生的温度变化。

实现问题的快速解决

问题的原因很快就被识别出来了，便利而准确的边界条件设置 – 充分利用 FLOW-3D  最新的功能 – 是必要的。特别是，所采用的网格划分技术对于将计算单元的数量减少到非常低的数量非常有用，保持了传统设置的几乎相同的精度，但提供了非常快速的模拟。

第一个技巧是模具啮合采用的围绕垂直轴旋转模具，以便将模具的内部薄腔与正交轴对齐。

第二个技巧是对内腔（薄壁）使用新的共形网格特征，同时为整个域保留传统的较大网格块。保形网格符合开放体积，并且仅限于填充腔，其具有相当小的间隙。

最后，为了限制模具外部的空间（现在成为鞋盒形状，旋转20度，与模型轴线严重对齐），使用了一些“域去除”组件，直接通过FLOW的内部实体建模器  -3D。

其余设置遵循传统方案，利用软件的大多数推荐默认值。由于这些特征和FLOW-3D中的新子域分解特征  ，有可能将设计的9 000 000个网格减少到流体子域的1 840 000个网格和固体子域的2 430 000个网格。

分析

在填充模拟之后，为了确保良好的填充图案，模拟的重点被重定向到热模循环分析。这种情况下的设置是快速和直接的，只需要1小时即可在普通台式机（i7 5930K，商业价值1500美元）上重现10个生产周期。结果证实了CM的初始假设：通过使用FlowSight从单个图像中的各个视点和横截面上查看温度场，很明显，模具的温度分布很容易导致预期的变形和金属泄漏。

进一步分析流体结构相互作用模块

一旦发现问题并且技术人员可以开始设计改进的模具，CM Taricco希望得到最终确认，对模具上的应力和变形进行有限元分析。为了进行这种分析，XC Engineering Srl帮助CM建立和执行计算。分析结果清楚地表明了CM认为正在发生的事情：  FLOW-3D  能够以极高的精度再现几次浇注周期后在模具上发现的真实变形的相同位置和大小。这对于CM来说是个好消息，并且在设计阶段强制推荐使用FSI模块来根据真实的铸造条件预测真实的模具变形。

结论

作为分析的结论，CM员工能够使用CFD解决方案的所有温度场信息设计新的优化模具。新模具能够以更有效的方式散发热能，即使在几十个工艺周期后，铸件也不再受到金属泄漏的影响。模具优化后的铸件。没有严重的泄漏缺陷存在。