JP2019171418A - 鋳造シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シミュレーションの精度を向上させること。【解決手段】 鋳造型内へ溶湯を充填する際の該溶湯の流動をシミュレートする鋳造シミュレーション装置は、メッシュにより区切られた鋳造型のセル毎に、該セル内の気泡の挙動を評価するための評価値を算出する評価手段を備えている。評価手段は、各セルの充填率を算出し、該算出した充填率を時間積分し、該算出した時間積分値を、鋳造型の充填完了時間から各セルの充填開始時間で減算した減算結果で除算することで、評価値を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、鋳造型内の溶湯の流動をシミュレートする鋳造シミュレーション装置に関する。

鋳造型内へ溶湯を充填する際の溶湯の流動をシミュレートする鋳造シミュレーション装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００２−２８３００１号公報

ところで、溶湯が鋳造型内に充填される際に、溶湯と共に細かい気泡が鋳造型内に巻き込まれ、鋳造型内に滞留することがある。しかし、そのような気泡の挙動を正確に予測するのは困難であり、シミュレーションの精度低下を招く要因となっている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、シミュレーションの精度を向上させる鋳造シミュレーション装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
鋳造型内へ溶湯を充填する際の該溶湯の流動をシミュレートする鋳造シミュレーション装置であって、
メッシュにより区切られた前記鋳造型のセル毎に、該セル内の気泡の挙動を評価するための評価値を算出する評価手段を備え、
前記評価手段は、
前記各セルの充填率を算出し、
該算出した充填率を時間積分し、
該算出した時間積分値を、前記鋳造型の充填完了時間から前記各セルの充填開始時間で減算した減算結果で除算することで、前記評価値を算出する、
ことを特徴とする鋳造シミュレーション装置
である。

本発明によれば、シミュレーションの精度を向上させる鋳造シミュレーション装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る鋳造シミュレーション装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 評価値に対応した色で粗材を表示した図である。 （ａ）リブが設けられていない粗材に対するシミュレーションの評価結果を示す図である。（ｂ）リブが設けられた粗材に対するシミュレーションの評価結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係る鋳造シミュレーション方法の処理フローを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る鋳造シミュレーション装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る鋳造シミュレーション装置１は、鋳造型内へ溶湯を充填する際の溶湯の流動をシミュレートする装置である。

本実施形態に係る鋳造シミュレーション装置１は、データ取得部２と、記憶部３と、表示部４と、演算部５と、を備えている。

なお、鋳造シミュレーション装置１は、例えば、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等や各種のデータを記憶するメモリ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、メモリ及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。

データ取得部２は、溶湯の流動をシミュレートする際に設定されるシミュレーション条件などのデータを取得する。データ取得部２は、例えば、メッシュ条件、座標系、ステップ時間間隔などのデータを取得する。

鋳造型データは、ＣＡＤデータなどである。鋳造型データは、メッシュによって複数のセルに区切られている。メッシュ条件は、鋳造型データに対して、どのような解析密度でシミュレーションするかを決めるためのものである。メッシュ間隔は、例えば、３次元直交座標系とした場合、Ｘ、Ｙ、及びＺの軸毎にそれぞれ決められる。なお通常の場合、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸のメッシュ間隔は、同一である。データ取得部２は、キーボードやマウスなどの入力部を有しており、入力部を介して、データ取得部２に上記データが入力される。

記憶部３は、鋳造型データ（設計データ）などを記憶している。記憶部３は、上記メモリなどにより構成されている。表示部４は、ＣＲＴや液晶ディスプレイなどである。表示部４は、本シミュレーションにおける溶湯流動や解析結果などのグラフィックを表示する。

演算部５は、ソルバーを用いて、シミュレーションを実行する。ソルバーによるシミュレーションは、基本的には流れ場の解析シミュレーションを利用したものである。ソルバーは、鋳造型データにおいて、メッシュ条件によって設定されたセルごとに溶湯が充填されて行く過程を、設定された時間ステップごとにシミュレートする。

ところで、溶湯が鋳造型内に充填される際に、溶湯と共に細かい気泡が鋳造型内に巻き込まれ、鋳造型内に滞留することがある。しかし、そのような気泡の挙動を正確に予測するのは困難であり、シミュレーションの精度低下を招く要因となっている。

これに対し、本実施形態において、演算部５は、メッシュにより区切られた鋳造型のセル毎に、該セル内の気泡の挙動を評価するための評価値を算出する。演算部５は、各セルの充填率を算出し、算出した充填率を時間積分する。演算部５は、算出した時間積分値を、鋳造型の充填完了時間から各セルの充填開始時間で減算した減算結果で除算することで、セル毎に評価値を算出する。

充填率を時間積分することで、計算誤差などにより埋没してしまうような細かい気泡の量も累積して評価値に反映できる。気泡をも考慮した評価値を用いることで、シミュレーションの精度を向上させることができる。
また、上述の如く、細かい気泡の挙動を正確に予測するのは困難であるが、各セルの評価値に基づいて、気泡の巻込みが発生し易い位置や気泡の滞留が発生し易い位置を予測することができる。したがって、その予測を用いて、気泡の巻込みが発生し難い製品形状や流動口（ゲート）を、設計の初期段階で効率的に検討できる。

さらに、予測したい気泡のサイズ（φ０．５〜１ｍｍ）に合わせてメッシュ間隔を決め、シミュレーションを行うのは困難であるが、各セルの充填率をそのセル内の溶湯の割合と見なすことで、粗いメッシュでシミュレーションを行うことができる。

次に、上述した評価値の算出方法について詳細に説明する。演算部５は、評価手段の一具体例である。演算部５は、運動方程式、及び質量保存式から時間ステップごとに速度、及び圧力場を算出する。なお、下記（１）式に示す質量保存式および（２）式及び（３）式に示す運動方程式は、周知の式である。ｕ、ｖはそれぞれ、ｘ、ｙ方向の速度成分であり、ｐは圧力を密度で除したものであり、γは動粘性係数であり、Ｄは発散である。

演算部５は、上記算出した速度及び圧力場に基づいて、自由表面の移動として溶湯の流動を算出する。自由表面の移動は、例えば、マーカ法やＶＯＦ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｏｆ Ｆｌｕｉｄ）法などに従って行われる。演算部５は、上記算出した溶湯の流動結果から、メッシュにより区切られた各セルの充填率Ｆｎを算出する。Ｆｎは、時間ステップｎにおける各セルの充填率を示す。

演算部５は、メッシュの各セルの充填率Ｆｎを時間積分する。演算部５は、その積分結果を（鋳造型の充填完了時間−各セルの充填開始時間）で除算して、評価値を算出する。さらに、演算部５は、除算結果を正規化して評価値を算出してもよい。算出された評価値が低いほど、そのセルの充填率が低く、充填中にそのセルに気泡がより長く滞留したことを表している。

演算部５は、例えば、下記（４）式を用いて、メッシュのセル毎に評価値を算出する。ｆｉｌｌＴは、鋳造型の充填完了時間であり、ｓｔＴは各セルでの充填開始時間である。Ｋは係数であり、予め記憶部３に設定されている。係数Ｋは、粗材充填率に応じて変化させてもよい。

演算部５は、算出した各セルの評価値を表示部４に出力する。

表示部４は、例えば、図２に示す如く、演算部５からの各セルの評価値に基づいて、評価値に対応した色で粗材を表示する。例えば、評価値が低いほど、充填中に気泡がより長く滞留したことを表し、赤色で表示してもよい。ユーザは、その表示を見ることで、気泡の巻込みが発生し易い位置や、気泡の滞留が発生し易い位置を容易に認識できる。

図３（ａ）は、リブが設けられていない粗材に対するシミュレーションの評価結果を示す図である。図３（ｂ）は、リブが設けられた粗材に対するシミュレーションの評価結果を示す図である。図３（ａ）に示す如く、リブを設けていない場合、評価値が低く、気泡巻込み量が大きい部分Ａが存在することが分かる。一方、図３（ｂ）に示す如く、リブを設けることで、上記部分Ａの評価値が高くなり、気泡巻込み量が小さくなっていることが分かる。このように、設計変更による気泡巻込み量の低減効果を視覚的に確認でき、シミュレーションの精度を向上させることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る鋳造シミュレーション方法の処理フローを示すフローチャートである。

データ取得部２は、メッシュ条件、座標系、ステップ時間間隔などの初期データを取得する（ステップＳ１０１）。演算部５は、運動方程式、及び質量保存式から時間ステップごとに速度、及び圧力場を算出する（ステップＳ１０２）。

演算部５は、上記算出した速度及び圧力場に基づいて、メッシュにより区切られた各セルの充填率Ｆｎを算出する（ステップＳ１０３）。演算部５は、各セルの充填率Ｆｎを加算して粗材充填率を算出し、算出した粗材充填率が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。なお、閾値は記憶部３に予め設定されているが、ユーザが任意に設定変更できる。

演算部５は、粗材充填率が閾値以上であると判定したとき（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、メッシュの各セルの充填率Ｆｎを時間積分する（ステップＳ１０５）。一方、演算部５は、粗材充填率が閾値以上でないと判定したとき（ステップＳ１０４のＮＯ）、上記（ステップＳ１０１）に戻る。

演算部５は、その時間積分結果を（鋳造型の充填完了時間−各セルの充填開始時間）で除算し、その除算結果を正規化することで評価値を算出し（ステップＳ１０６）、算出した評価値を表示部４に出力する。

表示部４は、演算部５からの各セルの評価値に基づいて、評価値に対応した色で粗材を表示する（ステップＳ１０７）。ユーザは、表示部４に表示された粗材の色を見ることで、気泡の巻込みが発生し易い位置や気泡の滞留が発生し易い位置を容易に認識できる。

以上、本実施形態において、演算部５は、メッシュにより区切られた鋳造型のセル毎に、該セル内の気泡の挙動を評価するための評価値を算出し、各セルの充填率を算出し、算出した充填率を時間積分する。演算部５は、算出した時間積分値を、鋳造型の充填完了時間から各セルの充填開始時間で減算した減算結果で除算することで、セル毎に評価値を算出する。これにより、気泡をも考慮した評価値を用いることで、シミュレーションの精度を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明は、例えば、図４に示す処理を、ＣＰＵにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１ 鋳造シミュレーション装置、２ データ取得部、３ 記憶部、４ 表示部、５ 演算部

Claims (1)

1. 鋳造型内へ溶湯を充填する際の該溶湯の流動をシミュレートする鋳造シミュレーション装置であって、
   メッシュにより区切られた前記鋳造型のセル毎に、該セル内の気泡の挙動を評価するための評価値を算出する評価手段を備え、
   前記評価手段は、
   前記各セルの充填率を算出し、
   該算出した充填率を時間積分し、
   該算出した時間積分値を、前記鋳造型の充填完了時間から前記各セルの充填開始時間で減算した減算結果で除算することで、前記評価値を算出する、
   ことを特徴とする鋳造シミュレーション装置。

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