CN105302985B - 一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，它涉及一种针对微铸造成型过程的仿真数值模拟方法。本发明的目的是要解决现有的铸造仿真数值模拟的方法不适用于微精密铸造成形过程，模拟微精密铸造成形的误差大，可靠度低的问题。方法：一、构建自定义函数UDF；二、建立合金微构件模型；三、将case文件导入到fluent软件中；四、检测网格；五、设定单位；六、导入自定义函数UDF；七、选择正确模拟合金微铸造成形的模型；八、设置材料属性；九、相选择；十、域条件设；十一、设置边界条件；十二、求解法的选择；十三、边界初始化并设置迭代参数；十四、结果分析。本发明适用于合金微铸造成形过程仿真数值模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对微铸造成型过程的仿真数值模拟方法。
背景技术
微精密铸造是近年来国际上受到广泛研究的一种新型铸造方法，可高效率、低成本、快速制造特征尺寸在1mm以下的微型构件。对微精密铸造成形过程进行仿真数值模拟，可高效率、低成本、快速获取最佳的优化成形工艺。
在传统铸造过程仿真数值模拟领域，绝大多数是通过诸如Magma、Procast、I-deas等铸造专业软件，将充型过程和凝固过程分开进行模拟计算。由于传统铸造主要针对宏观尺度铸件进行，其在充型过程中热量损失小，温度下降慢，可以认为浇注过程是在恒温条件下进行的。因此，传统铸造成形过程将充型过程和凝固过程分开进行模拟的方法误差较小，具有一定的准确性和可靠性。
然而，对于微精密铸造成形过程，铸件特征尺寸小于1mm，其冷却速度极快，因此，将充型过程和凝固过程分开进行模拟的方法不再可取。同时，与宏观尺度的铸造成形过程显著不同的还包括，微尺度下液态金属充型流动过程必须考虑毛细管力、铸型摩擦力，以及由于强烈急冷形成温度梯度导致的粘度梯度和密度梯度，这些宏观铸造模拟被忽略的因素在微铸造成形过程中却起着至关重要的作用，因此现有铸造过程仿真模拟的方法均不能满足。
发明内容
本发明的目的是要解决现有的铸造仿真数值模拟的方法不适用于微精密铸造成形过程，模拟微精密铸造成形的误差大，可靠度低的问题，而提供一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法。
一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法包括如下步骤：
一、构建自定义函数UDF：
①、根据合金的粘度与温度的函数关系，构建合金的粘度随温度变化的自定义函数；
②、根据合金的表面张力与温度的函数关系，构建合金的表面张力随温度变化的自定义函数；
③、根据合金与铸型模具材料间摩擦特性，构建合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；
④、根据合金的密度与温度的函数关系，构建合金的密度随温度的自定义函数；
二、建立合金微构件模型，以确定最终铸造的合金微构件模型：利用Gambit软件进行建模，根据最终铸造的合金微构件模型的结构特点，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件；
三、打开fluent软件，将case文件导入到fluent软件中；
四、检测网格，以检测步骤二中划分的网格是否正确；
五、设定单位：根据最终铸造的合金微构件的真实尺寸设定单位；
六、导入自定义函数UDF，真实模拟合金微铸造成形过程：依次按照定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和应用(compile)的流程导入步骤一中构建的自定义函数UDF；
七、选择正确模拟合金微铸造成形的模型：选用多相流模型中的VOF模型，能量模型，紊流模型中的标准k-ε模型和凝固和熔化模型；
八、设置材料属性：设置合金属性和铸型模具材料属性，在合金材料粘度参数设定时，调用合金的粘度随温度变化的自定义函数，在合金的密度参数设定时，调用合金的密度随温度变化的自定义函数；
九、相选择，以真实模拟合金微铸造成形：在相里设置第一相为空气，第二相为所选用的合金；再调用合金的表面张力随温度变化的自定义函数；
十、域条件设置，设置合金微铸造成形中的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域；
十一、设置边界条件，在此预设条件下进行模拟合金微铸造成形：根据模拟参数进行设定，设定铸型模具材料摩擦系数时调用合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；
十二、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择SIMPLE模式，压力方程的松弛因子设为1，压力修正方程采用Presto模式，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十三、边界初始化并设置迭代参数，进行计算；
十四、查看残差图，对相、速度、压力、温度和凝固体积分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化微铸造成形最佳工艺参数。
本发明的原理及优点：
一、本发明提出一种基于fluent软件的微铸造成形过程仿真数值模拟方法，fluent软件是基于计算流体动力学方法求解流动、传热问题的通用软件，调用fluent软件的凝固和熔化模型，即可模拟流体的流动、传热与凝固过程；利用fluent软件含有的用户自定义函数UDF的功能模块，构建了合金的粘度随温度变化的自定义函数、合金的表面张力随温度变化的自定义函数、合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数和合金密度随温度的自定义函数；并在fluent软件相应设置中调用这些程序，即可实现微铸造成形过程的仿真数值模拟，得到极其复杂的速度、压力、温度分布等变化情况，进而直观分析微铸造成形过程液态金属(液态合金)的充型流动与凝固情况，最终实现工艺参数的优化；
二、本发明提供了一种优于现有铸造成形仿真模拟的新方法，传统铸造成形仿真数值模拟的方法是将充型过程和凝固过程分开进行模拟，并假定液态金属粘度为常数、液态金属表面张力为常数、液态金属与铸型间摩擦系数为常数、液态金属的密度为常数，这些方法存在较大的误差，且不适用于微铸造成形过程的仿真数值模拟；
三、本发明借助fluent软件中的凝固和熔化模型，并利用fluent软件用户自定义函数的功能，通过自定义液态金属(液态合金)粘度函数、液态金属(液态合金)表面张力函数、液态金属(液态合金)与铸型摩擦力函数的方法、液态金属(液态合金)密度函数，实现了液态金属(液态合金)微尺度充型与流动过程的耦合数值模拟，模拟过程更接近实际情况，误差较小。
四、本发明可实现微铸造成形过程充型过程与凝固过程耦合仿真数值模拟，同时考虑液态金属(液态合金)微尺度充型过程的为微尺度效应，即添加毛细管力函数、摩擦力函数、粘度函数和密度函数，模拟结果结构更为准确和可靠。
本发明适用于合金微铸造成形过程仿真数值模拟。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法包括如下步骤：
一、构建自定义函数UDF：
①、根据合金的粘度与温度的函数关系，构建合金的粘度随温度变化的自定义函数；
②、根据合金的表面张力与温度的函数关系，构建合金的表面张力随温度变化的自定义函数；
③、根据合金与铸型模具材料间摩擦特性，构建合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；
④、根据合金密度与温度的函数关系，构建合金的密度随温度变化的自定义函数；
二、建立合金微构件模型，以确定最终铸造的合金微构件模型：利用Gambit软件进行建模，根据最终铸造的合金微构件模型的结构特点，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件；
三、打开fluent软件，将case文件导入到fluent软件中；
四、检测网格，以检测步骤二中划分的网格是否正确；
五、设定单位：根据最终铸造的合金微构件的真实尺寸设定单位；
六、导入自定义函数UDF，真实模拟合金微铸造成形过程：依次按照定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和应用(compile)的流程导入步骤一中构建的自定义函数UDF；
七、选择正确模拟合金微铸造成形的模型：选用多相流模型中的VOF模型，能量模型，紊流模型中的标准k-ε模型和凝固和熔化模型；
八、设置材料属性：设置合金属性和铸型模具材料属性，在合金材料粘度参数设定时，调用合金的粘度随温度变化的自定义函数，在合金材料密度参数设定时，调用合金的密度随温度变化的自定义函数；
九、相选择，以真实模拟合金微铸造成形：在相里设置第一相为空气，第二相为所选用的合金；再调用合金的表面张力随温度变化的自定义函数；
十、域条件设置，设置合金微铸造成形中的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域；
十一、设置边界条件，在此预设条件下进行模拟合金微铸造成形：根据模拟参数进行设定，设定铸型模具材料摩擦系数时调用合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；
十二、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择SIMPLE模式，压力方程的松弛因子设为1，压力修正方程采用Presto模式，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十三、边界初始化并设置迭代参数，进行计算；
十四、查看残差图，对相、速度、压力、温度和凝固体积分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化微铸造成形最佳工艺参数。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式提出一种基于fluent软件的微铸造成形过程仿真数值模拟方法，fluent软件是基于计算流体动力学方法求解流动、传热问题的通用软件，调用fluent软件的凝固和熔化模型，即可模拟流体的流动、传热与凝固过程；利用fluent软件含有的用户自定义函数UDF的功能模块，构建了合金的粘度随温度变化的自定义函数；表面张力随温度变化的自定义函数；合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；合金密度随温度变化的自定义函数；并在fluent软件相应设置中调用这些程序，即可实现微铸造成形过程的仿真数值模拟，得到极其复杂的速度、压力、温度分布等变化情况，进而直观分析微铸造成形过程液态金属(液态合金)的充型流动与凝固情况，最终实现工艺参数的优化；
二、本实施方式提供了一种优于现有铸造成形仿真模拟的新方法，传统铸造成形仿真数值模拟的方法是将充型过程和凝固过程分开进行模拟，并假定液态金属粘度为常数、液态金属表面张力为常数、液态金属与铸型间摩擦系数为常数、液态金属的密度为常数，这些方法存在较大的误差，且不适用于微铸造成形过程的仿真数值模拟；
三、本实施方式借助fluent软件中的凝固和熔化模型，并利用fluent软件用户自定义函数的功能，通过自定义液态金属(液态合金)粘度函数、液态金属(液态合金)表面张力函数、液态金属(液态合金)与铸型摩擦力函数的方法、液态金属(液态合金)密度函数，实现了液态金属(液态合金)微尺度充型与流动过程的耦合数值模拟，模拟过程更接近实际情况，误差较小；
四、本实施方式可实现微铸造成形过程充型过程与凝固过程耦合仿真数值模拟，同时考虑液态金属(液态合金)微尺度充型过程的为微尺度效应，即添加毛细管力函数、摩擦力函数、粘度函数和密度函数，模拟结果结构更为准确和可靠。
本实施方式适用于合金微铸造成形过程仿真数值模拟。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的合金为Pb90Sn10。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤八中所述的合金属性为密度、粘度、熔点、热导率、标准生成焓、熔化热、比热容和相对原子质量。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤八中所述的铸型模具材料属性为密度、热导率和比热容。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中铸型模具材料为304不锈钢。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤五中所述的设定单位为mm。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中计算网格单位数为864531。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤十三中所述的迭代参数的步长设置为0.00001s，步数设置为10000。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤十三中所述的边界初始化的温度设置为633K，第二相流体的体积分数设置为0。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤十一中所述的模拟参数为：采用速度入口，速度大小设置为5m/s，温度为633K，入口第二相体积分数为1；出口选择压力出口，压力为0.1个大气压，温度为298K，第二相体积分数为0；壁面温度为373K，设置对流传热模式，壁厚10mm，设定铸型模具壁面摩擦系数时调用合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法包括如下步骤：
一、构建自定义函数UDF：合金选用Pb90Sn10合金，铸型模具材料选用304不锈钢；
①、根据Pb90Sn10合金的粘度与温度的函数关系，利用C语言编写Pb90Sn10合金的粘度随温度变化的自定义函数UDF_viscosity；
步骤一①中所述的Pb90Sn10合金的粘度与温度的函数关系为μ＝0.001×(0.0031×T+4.3453)，其中μ为粘度，单位Pa·s；T为合金熔体的开氏温度，单位为K；
②、根据Pb90Sn10合金的表面张力与温度的函数关系，利用C语言编写Pb90Sn10合金的表面张力随温度变化的自定义函数UDF_surface tension；
步骤一②中所述的Pb90Sn10合金的表面张力与温度的函数关系为γ＝0.471-0.000156×(T-327)，其中，γ为表面张力，单位N/m；T为开氏温度，单位K；
③、根据Pb90Sn10合金与铸型模具材料间摩擦特性，利用C语言编写Pb90Sn10合金熔体与铸型模具材料304不锈钢间摩擦系数的自定义函数UDF_friction；
步骤一③中所述的Pb90Sn10合金熔体与铸型模具材料304不锈钢间摩擦特性为：当T大于593时，f＝0.45；其中T为温度，f为摩擦系数；当T小于593时，f＝0.2；其中T为温度，f为摩擦系数；
④、根据Pb90Sn10合金的密度与温度的函数关系，利用C语言编写Pb90Sn10合金的密度随温度变化的自定义函数UDF_density；
步骤一④中所述的Pb90Sn10合金的密度随温度变化的关系为ρ＝-1.2×T+11407.6，其中ρ为密度，单位kg/m3；T为开氏温度，单位K；
二、建立合金微构件模型，以确定最终铸造的合金微构件模型：利用Gambit软件进行建模，根据最终铸造的合金微构件模型的结构特点，选取网格类型划分网格，计算网格单位数为864531；设置边界条件，输出case文件；
三、打开fluent软件，将case文件导入到fluent软件中；
四、检测网格，以检测步骤二中划分的网格是否正确；
五、设定单位：根据最终铸造的合金微构件的真实尺寸设定单位，设定单位为mm；
六、导入自定义函数UDF，真实模拟合金微铸造成形过程：依次按照定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和应用(compile)的流程导入步骤一中构建的自定义函数UDF；
七、选择正确模拟合金微铸造成形的模型：选用多相流模型中的VOF模型，能量模型，紊流模型中的标准k-ε模型和凝固和熔化模型；
八、设置材料属性：设置Pb90Sn10合金属性和304不锈钢铸型模具材料属性，在Pb90Sn10合金材料粘度参数设定时，调用合金的粘度随温度变化的自定义函数UDF_viscosity；在Pb90Sn10合金材料密度参数设定时，调用合金的密度随温度变化的自定义函数UDF_density：
步骤八中所述的合金属性为密度、粘度、熔点、热导率、标准生成焓、熔化热、比热容和相对原子质量；
步骤八中所述的铸型模具材料属性为密度、热导率和比热容；
九、相选择，以真实模拟合金微铸造成形：在相里设置第一相为空气，第二相为所选用的合金；再调用合金的表面张力随温度变化的自定义函数UDF_surface tension；
十、域条件设置，设置合金微铸造成形中的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域；
十一、设置边界条件，在此预设条件下进行模拟合金微铸造成形：采用速度入口，速度大小设置为5m/s，温度为633K，入口第二相体积分数为1；出口选择压力出口，压力为0.1个大气压，温度为298K，第二相体积分数为0；壁面温度为373K，设置对流传热模式，壁厚10mm，设定铸型模具壁面摩擦系数时调用合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数UDF_friction：
十二、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择SIMPLE模式，压力方程的松弛因子设为1，压力修正方程采用Presto模式，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十三、对整个区域进行初始化，设置温度为633K，设置第二相流体的体积分数为0；步长设置为0.00001s，步数设置为10000，进行计算；
十四、查看残差图，对相、速度、压力、温度和凝固体积分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化微铸造成形最佳工艺参数。
本实施例所述的fluent软件的版本为fluent6.3。
本实施例可实现微铸造成形过程充型过程与凝固过程耦合仿真数值模拟，同时考虑液态金属(液态合金)微尺度充型过程的为微尺度效应，即添加毛细管力函数、摩擦力函数、粘度函数和密度函数，模拟结果结构更为准确和可靠。
Claims (10)
1.一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法包括如下步骤：
一、构建自定义函数UDF：
①、根据合金的粘度与温度的函数关系，构建合金的粘度随温度变化的自定义函数；
②、根据合金的表面张力与温度的函数关系，构建合金的表面张力随温度变化的自定义函数；
③、根据合金与铸型模具材料间摩擦特性，构建合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；
④、根据合金的密度与温度的函数关系，构建合金密度随温度变化的自定义函数；
二、建立合金微构件模型，以确定最终铸造的合金微构件模型：利用Gambit软件进行建模，根据最终铸造的合金微构件模型的结构特点，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件；
三、打开fluent软件，将case文件导入到fluent软件中；
四、检测网格，以检测步骤二中划分的网格是否正确；
五、设定单位：根据最终铸造的合金微构件的真实尺寸设定单位；
六、导入自定义函数UDF，真实模拟合金微铸造成形过程：依次按照定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和应用(compile)的流程导入步骤一中构建的自定义函数UDF；
七、选择正确模拟合金微铸造成形的模型：选用多相流模型中的VOF模型，能量模型，紊流模型中的标准k-ε模型和凝固和熔化模型；
八、设置材料属性：设置合金属性和铸型模具材料属性，在合金材料粘度参数设定时，调用合金的粘度随温度变化的自定义函数，在合金材料密度参数设定时，调用合金的密度随温度变化的自定义函数；
九、相选择，以真实模拟合金微铸造成形：在相里设置第一相为空气，第二相为所选用的合金；再调用合金的表面张力随温度变化的自定义函数；
十、域条件设置，设置合金微铸造成形中的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域；
十一、设置边界条件，在此预设条件下进行模拟合金微铸造成形：根据模拟参数进行设定，设定铸型模具材料摩擦系数时，调用合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数；
十二、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择SIMPLE模式，压力方程的松弛因子设为1，压力修正方程采用Presto模式，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十三、边界初始化并设置迭代参数，进行计算；
十四、查看残差图，对相、速度、压力、温度和凝固体积分数的云图和矢量图进行结果分析，改变模拟条件，优化微铸造成形最佳工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤一中所述的合金为Pb90Sn10。
3.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤八中所述的合金属性为密度、粘度、熔点、热导率、标准生成焓、熔化热、比热容和相对原子质量。
4.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤八中所述的铸型模具材料属性为密度、热导率和比热容。
5.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤一中所述的铸型模具材料为304不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤五中所述的设定单位为mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤二中计算网格单位数为864531。
8.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤十三中所述的迭代参数的步长设置为0.00001s，步数设置为10000。
9.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤十三中所述的边界初始化的温度设置为633K，第二相流体的体积分数设置为0。
10.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的合金微铸造成形过程的仿真方法，其特征在于步骤十一中所述的模拟参数为：采用速度入口，速度大小设置为5m/s，温度为633K，入口第二相体积分数为1；出口选择压力出口，压力为0.1个大气压，温度为298K，第二相体积分数为0；壁面温度为373K，设置对流传热模式，壁厚10mm，设定铸型模具壁面摩擦系数时调用合金熔体与铸型模具材料间摩擦系数的自定义函数。
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|---|---|
| CN105302985A (zh) | 2016-02-03 |
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