Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling

영국 Dawlish의 방파제에 대한 온대 저기압 피해: 목격자 설명, 해수면 분석 및 수치 모델링

Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling

Natural Hazards (2022)Cite this article

Abstract

2014년 2월 영국 해협(영국)과 특히 Dawlish에 영향을 미친 온대 저기압 폭풍 사슬은 남서부 지역과 영국의 나머지 지역을 연결하는 주요 철도에 심각한 피해를 입혔습니다.

이 사건으로 라인이 두 달 동안 폐쇄되어 5천만 파운드의 피해와 12억 파운드의 경제적 손실이 발생했습니다. 이 연구에서는 폭풍의 파괴력을 해독하기 위해 목격자 계정을 수집하고 해수면 데이터를 분석하며 수치 모델링을 수행합니다.

우리의 분석에 따르면 이벤트의 재난 관리는 성공적이고 효율적이었으며 폭풍 전과 도중에 인명과 재산을 구하기 위해 즉각적인 조치를 취했습니다. 파도 부이 분석에 따르면 주기가 4–8, 8–12 및 20–25초인 복잡한 삼중 봉우리 바다 상태가 존재하는 반면, 조위계 기록에 따르면 최대 0.8m의 상당한 파도와 최대 1.5m의 파도 성분이 나타났습니다.

이벤트에서 가능한 기여 요인으로 결합된 진폭. 최대 286 KN의 상당한 임펄스 파동이 손상의 시작 원인일 가능성이 가장 높았습니다. 수직 벽의 반사는 파동 진폭의 보강 간섭을 일으켜 파고가 증가하고 최대 16.1m3/s/m(벽의 미터 너비당)의 상당한 오버탑핑을 초래했습니다.

이 정보와 우리의 공학적 판단을 통해 우리는 이 사고 동안 다중 위험 계단식 실패의 가장 가능성 있는 순서는 다음과 같다고 결론을 내립니다. 조적 파괴로 이어지는 파도 충격력, 충전물 손실 및 연속적인 조수에 따른 구조물 파괴.

The February 2014 extratropical cyclonic storm chain, which impacted the English Channel (UK) and Dawlish in particular, caused significant damage to the main railway connecting the south-west region to the rest of the UK. The incident caused the line to be closed for two months, £50 million of damage and an estimated £1.2bn of economic loss. In this study, we collate eyewitness accounts, analyse sea level data and conduct numerical modelling in order to decipher the destructive forces of the storm. Our analysis reveals that the disaster management of the event was successful and efficient with immediate actions taken to save lives and property before and during the storm. Wave buoy analysis showed that a complex triple peak sea state with periods at 4–8, 8–12 and 20–25 s was present, while tide gauge records indicated that significant surge of up to 0.8 m and wave components of up to 1.5 m amplitude combined as likely contributing factors in the event. Significant impulsive wave force of up to 286 KN was the most likely initiating cause of the damage. Reflections off the vertical wall caused constructive interference of the wave amplitudes that led to increased wave height and significant overtopping of up to 16.1 m3/s/m (per metre width of wall). With this information and our engineering judgement, we conclude that the most probable sequence of multi-hazard cascading failure during this incident was: wave impact force leading to masonry failure, loss of infill and failure of the structure following successive tides.

Introduction

The progress of climate change and increasing sea levels has started to have wide ranging effects on critical engineering infrastructure (Shakou et al. 2019). The meteorological effects of increased atmospheric instability linked to warming seas mean we may be experiencing more frequent extreme storm events and more frequent series or chains of events, as well as an increase in the force of these events, a phenomenon called storminess (Mölter et al. 2016; Feser et al. 2014). Features of more extreme weather events in extratropical latitudes (30°–60°, north and south of the equator) include increased gusting winds, more frequent storm squalls, increased prolonged precipitation and rapid changes in atmospheric pressure and more frequent and significant storm surges (Dacre and Pinto 2020). A recent example of these events impacting the UK with simultaneous significant damage to coastal infrastructure was the extratropical cyclonic storm chain of winter 2013/2014 (Masselink et al. 2016; Adams and Heidarzadeh 2021). The cluster of storms had a profound effect on both coastal and inland infrastructure, bringing widespread flooding events and large insurance claims (RMS 2014).

The extreme storms of February 2014, which had a catastrophic effect on the seawall of the south Devon stretch of the UK’s south-west mainline, caused a two-month closure of the line and significant disruption to the local and regional economy (Fig. 1b) (Network Rail 2014; Dawson et al. 2016; Adams and Heidarzadeh 2021). Restoration costs were £35 m, and economic effects to the south-west region of England were estimated up to £1.2bn (Peninsula Rail Taskforce 2016). Adams and Heidarzadeh (2021) investigated the disparate cascading failure mechanisms which played a part in the failure of the railway through Dawlish and attempted to put these in the context of the historical records of infrastructure damage on the line. Subsequent severe storms in 2016 in the region have continued to cause damage and disruption to the line in the years since 2014 (Met Office 2016). Following the events of 2014, Network Rail Footnote1 who owns the network has undertaken a resilience study. As a result, it has proposed a £400 m refurbishment of the civil engineering assets that support the railway (Fig. 1) (Network Rail 2014). The new seawall structure (Fig. 1a,c), which is constructed of pre-cast concrete sections, encases the existing Brunel seawall (named after the project lead engineer, Isambard Kingdom Brunel) and has been improved with piled reinforced concrete foundations. It is now over 2 m taller to increase the available crest freeboard and incorporates wave return features to minimise wave overtopping. The project aims to increase both the resilience of the assets to extreme weather events as well as maintain or improve amenity value of the coastline for residents and visitors.

figure 1
Fig. 1

In this work, we return to the Brunel seawall and the damage it sustained during the 2014 storms which affected the assets on the evening of the 4th and daytime of the 5th of February and eventually resulted in a prolonged closure of the line. The motivation for this research is to analyse and model the damage made to the seawall and explain the damage mechanisms in order to improve the resilience of many similar coastal structures in the UK and worldwide. The innovation of this work is the multidisciplinary approach that we take comprising a combination of analysis of eyewitness accounts (social science), sea level and wave data analysis (physical science) as well as numerical modelling and engineering judgement (engineering sciences). We investigate the contemporary wave climate and sea levels by interrogating the real-time tide gauge and wave buoys installed along the south-west coast of the English Channel. We then model a typical masonry seawall (Fig. 2), applying the computational fluid dynamics package FLOW3D-Hydro,Footnote2 to quantify the magnitude of impact forces that the seawall would have experienced leading to its failure. We triangulate this information to determine the probable sequence of failures that led to the disaster in 2014.

figure 2
Fig. 2

Data and methods

Our data comprise eyewitness accounts, sea level records from coastal tide gauges and offshore wave buoys as well as structural details of the seawall. As for methodology, we analyse eyewitness data, process and investigate sea level records through Fourier transform and conduct numerical simulations using the Flow3D-Hydro package (Flow Science 2022). Details of the data and methodology are provided in the following.

Eyewitness data

The scale of damage to the seawall and its effects led the local community to document the first-hand accounts of those most closely affected by the storms including residents, local businesses, emergency responders, politicians and engineering contractors involved in the post-storm restoration work. These records now form a permanent exhibition in the local museum in DawlishFootnote3, and some of these accounts have been transcribed into a DVD account of the disaster (Dawlish Museum 2015). We have gathered data from the Dawlish Museum, national and international news reports, social media tweets and videos. Table 1 provides a summary of the eyewitness accounts. Overall, 26 entries have been collected around the time of the incident. Our analysis of the eyewitness data is provided in the third column of Table 1 and is expanded in Sect. 3.Table 1 Eyewitness accounts of damage to the Dawlish railway due to the February 2014 storm and our interpretations

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Sea level data and wave environment

Our sea level data are a collection of three tide gauge stations (Newlyn, Devonport and Swanage Pier—Fig. 5a) owned and operated by the UK National Tide and Sea Level FacilityFootnote4 for the Environment Agency and four offshore wave buoys (Dawlish, West Bay, Torbay and Chesil Beach—Fig. 6a). The tide gauge sites are all fitted with POL-EKO (www.pol-eko.com.pl) data loggers. Newlyn has a Munro float gauge with one full tide and one mid-tide pneumatic bubbler system. Devonport has a three-channel data pneumatic bubbler system, and Swanage Pier consists of a pneumatic gauge. Each has a sampling interval of 15 min, except for Swanage Pier which has a sampling interval of 10 min. The tide gauges are located within the port areas, whereas the offshore wave buoys are situated approximately 2—3.3 km from the coast at water depths of 10–15 m. The wave buoys are all Datawell Wavemaker Mk III unitsFootnote5 and come with sampling interval of 0.78 s. The buoys have a maximum saturation amplitude of 20.5 m for recording the incident waves which implies that every wave larger than this threshold will be recorded at 20.5 m. The data are provided by the British Oceanographic Data CentreFootnote6 for tide gauges and the Channel Coastal ObservatoryFootnote7 for wave buoys.

Sea level analysis

The sea level data underwent quality control to remove outliers and spikes as well as gaps in data (e.g. Heidarzadeh et al. 2022; Heidarzadeh and Satake 2015). We processed the time series of the sea level data using the Matlab signal processing tool (MathWorks 2018). For calculations of the tidal signals, we applied the tidal package TIDALFIT (Grinsted 2008), which is based on fitting tidal harmonics to the observed sea level data. To calculate the surge signals, we applied a 30-min moving average filter to the de-tided data in order to remove all wind, swell and infra-gravity waves from the time series. Based on the surge analysis and the variations of the surge component before the time period of the incident, an error margin of approximately ± 10 cm is identified for our surge analysis. Spectral analysis of the wave buoy data is performed using the fast Fourier transform (FFT) of Matlab package (Mathworks 2018).

Numerical modelling

Numerical modelling of wave-structure interaction is conducted using the computational fluid dynamics package Flow3D-Hydro version 1.1 (Flow Science 2022). Flow3D-Hydro solves the transient Navier–Stokes equations of conservation of mass and momentum using a finite difference method and on Eulerian and Lagrangian frameworks (Flow Science 2022). The aforementioned governing equations are:

∇.u=0∇.u=0

(1)

∂u∂t+u.∇u=−∇Pρ+υ∇2u+g∂u∂t+u.∇u=−∇Pρ+υ∇2u+g

(2)

where uu is the velocity vector, PP is the pressure, ρρ is the water density, υυ is the kinematic viscosity and gg is the gravitational acceleration. A Fractional Area/Volume Obstacle Representation (FAVOR) is adapted in Flow3D-Hydro, which applies solid boundaries within the Eulerian grid and calculates the fraction of areas and volume in partially blocked volume in order to compute flows on corresponding boundaries (Hirt and Nichols 1981). We validated the numerical modelling through comparing the results with Sainflou’s analytical equation for the design of vertical seawalls (Sainflou 1928; Ackhurst 2020), which is as follows:

pd=ρgHcoshk(d+z)coshkdcosσtpd=ρgHcoshk(d+z)coshkdcosσt

(3)

where pdpd is the hydrodynamic pressure, ρρ is the water density, gg is the gravitational acceleration, HH is the wave height, dd is the water depth, kk is the wavenumber, zz is the difference in still water level and mean water level, σσ is the angular frequency and tt is the time. The Sainflou’s equation (Eq. 3) is used to calculate the dynamic pressure from wave action, which is combined with static pressure on the seawall.

Using Flow3D-Hydro, a model of the Dawlish seawall was made with a computational domain which is 250.0 m in length, 15.0 m in height and 0.375 m in width (Fig. 3a). The computational domain was discretised using a single uniform grid with a mesh size of 0.125 m. The model has a wave boundary at the left side of the domain (x-min), an outflow boundary on the right side (x-max), a symmetry boundary at the bottom (z-min) and a wall boundary at the top (z-max). A wall boundary implies that water or waves are unable to pass through the boundary, whereas a symmetry boundary means that the two edges of the boundary are identical and therefore there is no flow through it. The water is considered incompressible in our model. For volume of fluid advection for the wave boundary (i.e. the left-side boundary) in our simulations, we utilised the “Split Lagrangian Method”, which guarantees the best accuracy (Flow Science, 2022).

figure 3
Fig. 3

The stability of the numerical scheme is controlled and maintained through checking the Courant number (CC) as given in the following:

C=VΔtΔxC=VΔtΔx

(4)

where VV is the velocity of the flow, ΔtΔt is the time step and ΔxΔx is the spatial step (i.e. grid size). For stability and convergence of the numerical simulations, the Courant number must be sufficiently below one (Courant et al. 1928). This is maintained by a careful adjustment of the ΔxΔx and ΔtΔt selections. Flow3D-Hydro applies a dynamic Courant number, meaning the program adjusts the value of time step (ΔtΔt) during the simulations to achieve a balance between accuracy of results and speed of simulation. In our simulation, the time step was in the range ΔtΔt = 0.0051—0.051 s.

In order to achieve the most efficient mesh resolution, we varied cell size for five values of ΔxΔx = 0.1 m, 0.125 m, 0.15 m, 0.175 m and 0.20 m. Simulations were performed for all mesh sizes, and the results were compared in terms of convergence, stability and speed of simulation (Fig. 3). A linear wave with an amplitude of 1.5 m and a period of 6 s was used for these optimisation simulations. We considered wave time histories at two gauges A and B and recorded the waves from simulations using different mesh sizes (Fig. 3). Although the results are close (Fig. 3), some limited deviations are observed for larger mesh sizes of 0.20 m and 0.175 m. We therefore selected mesh size of 0.125 m as the optimum, giving an extra safety margin as a conservative solution.

The pressure from the incident waves on the vertical wall is validated in our model by comparing them with the analytical equation of Sainflou (1928), Eq. (3), which is one of the most common set of equations for design of coastal structures (Fig. 4). The model was tested by running a linear wave of period 6 s and wave amplitude of 1.5 m against the wall, with a still water level of 4.5 m. It can be seen that the model results are very close to those from analytical equations of Sainflou (1928), indicating that our numerical model is accurately modelling the wave-structure interaction (Fig. 4).

figure 4
Fig. 4

Eyewitness account analysis

Contemporary reporting of the 4th and 5th February 2014 storms by the main national news outlets in the UK highlights the extreme nature of the events and the significant damage and disruption they were likely to have on the communities of the south-west of England. In interviews, this was reinforced by Network Rail engineers who, even at this early stage, were forecasting remedial engineering works to last for at least 6 weeks. One week later, following subsequent storms the cascading nature of the events was obvious. Multiple breaches of the seawall had taken place with up to 35 separate landslide events and significant damage to parapet walls along the coastal route also were reported. Residents of the area reported extreme effects of the storm, one likening it to an earthquake and reporting water ingress through doors windows and even through vertical chimneys (Table 1). This suggests extreme wave overtopping volumes and large wave impact forces. One resident described the structural effects as: “the house was jumping up and down on its footings”.

Disaster management plans were quickly and effectively put into action by the local council, police service and National Rail. A major incident was declared, and decisions regarding evacuation of the residents under threat were taken around 2100 h on the night of 4th February when reports of initial damage to the seawall were received (Table 1). Local hotels were asked to provide short-term refuge to residents while local leisure facilities were prepared to accept residents later that evening. Initial repair work to the railway line was hampered by successive high spring tides and storms in the following days although significant progress was still made when weather conditions permitted (Table 1).

Sea level observations and spectral analysis

The results of surge and wave analyses are presented in Figs. 5 and 6. A surge height of up to 0.8 m was recorded in the examined tide gauge stations (Fig. 5b-d). Two main episodes of high surge heights are identified: the first surge started on 3rd February 2014 at 03:00 (UTC) and lasted until 4th of February 2014 at 00:00; the second event occurred in the period 4th February 2014 15:00 to 5th February 2014 at 17:00 (Fig. 5b-d). These data imply surge durations of 21 h and 26 h for the first and the second events, respectively. Based on the surge data in Fig. 5, we note that the storm event of early February 2014 and the associated surges was a relatively powerful one, which impacted at least 230 km of the south coast of England, from Land’s End to Weymouth, with large surge heights.

figure 5
Fig. 5
figure 6
Fig. 6

Based on wave buoy records, the maximum recorded amplitudes are at least 20.5 m in Dawlish and West Bay, 1.9 m in Tor Bay and 4.9 m in Chesil (Fig. 6a-b). The buoys at Tor Bay and Chesil recorded dual peak period bands of 4–8 and 8–12 s, whereas at Dawlish and West Bay registered triple peak period bands at 4–8, 8–12 and 20–25 s (Fig. 6c, d). It is important to note that the long-period waves at 20–25 s occur with short durations (approximately 2 min) while the waves at the other two bands of 4–8 and 8–12 s appear to be present at all times during the storm event.

The wave component at the period band of 4–8 s can be most likely attributed to normal coastal waves while the one at 8–12 s, which is longer, is most likely the swell component of the storm. Regarding the third component of the waves with long period of 20 -25 s, which occurs with short durations of 2 min, there are two hypotheses; it is either the result of a local (port and harbour) and regional (the Lyme Bay) oscillations (eg. Rabinovich 1997; Heidarzadeh and Satake 2014; Wang et al. 1992), or due to an abnormally long swell. To test the first hypothesis, we consider various water bodies such as Lyme Bay (approximate dimensions of 70 km × 20 km with an average water depth of 30 m; Fig. 6), several local bays (approximate dimensions of 3.6 km × 0.6 km with an average water depth of 6 m) and harbours (approximate dimensions of 0.5 km × 0.5 km with an average water depth of 4 m). Their water depths are based on the online Marine navigation website.Footnote8 According to Rabinovich (2010), the oscillation modes of a semi-enclosed rectangle basin are given by the following equation:

Tmn=2gd−−√[(m2L)2+(nW)2]−1/2Tmn=2gd[(m2L)2+(nW)2]−1/2

(5)

where TmnTmn is the oscillation period, gg is the gravitational acceleration, dd is the water depth, LL is the length of the basin, WW is the width of the basin, m=1,2,3,…m=1,2,3,… and n=0,1,2,3,…n=0,1,2,3,…; mm and nn are the counters of the different modes. Applying Eq. (5) to the aforementioned water bodies results in oscillation modes of at least 5 min, which is far longer than the observed period of 20–25 s. Therefore, we rule out the first hypothesis and infer that the long period of 20–25 s is most likely a long swell wave coming from distant sources. As discussed by Rabinovich (1997) and Wang et al. (2022), comparison between sea level spectra before and after the incident is a useful method to distinguish the spectrum of the weather event. A visual inspection of Fig. 6 reveals that the forcing at the period band of 20–25 s is non-existent before the incident.

Numerical simulations of wave loading and overtopping

Based on the results of sea level data analyses in the previous section (Fig. 6), we use a dual peak wave spectrum with peak periods of 10.0 s and 25.0 s for numerical simulations because such a wave would be comprised of the most energetic signals of the storm. For variations of water depth (2.0–4.0 m), coastal wave amplitude (0.5–1.5 m) (Fig. 7) and storm surge height (0.5–0.8 m) (Fig. 5), we developed 20 scenarios (Scn) which we used in numerical simulations (Table 2). Data during the incident indicated that water depth was up to the crest level of the seawall (approximately 4 m water depth); therefore, we varied water depth from 2 to 4 m in our simulation scenarios. Regarding wave amplitudes, we referred to the variations at a nearby tide gauge station (West Bay) which showed wave amplitude up to 1.2 m (Fig. 7). Therefore, wave amplitude was varied from 0.5 m to 1.5 m by considering a factor a safety of 25% for the maximum wave amplitude. As for the storm surge component, time series of storm surges calculated at three coastal stations adjacent to Dawlish showed that it was in the range of 0.5 m to 0.8 m (Fig. 5). These 20 scenarios would help to study uncertainties associated with wave amplitudes and pressures. Figure 8 shows snapshots of wave propagation and impacts on the seawall at different times.

figure 7
Fig. 7

Table 2 The 20 scenarios considered for numerical simulations in this study

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figure 8
Fig. 8

Results of wave amplitude simulations

Large wave amplitudes can induce significant wave forcing on the structure and cause overtopping of the seawall, which could eventually cascade to other hazards such as erosion of the backfill and scour (Adams and Heidarzadeh, 2021). The first 10 scenarios of our modelling efforts are for the same incident wave amplitudes of 0.5 m, which occur at different water depths (2.0–4.0 m) and storm surge heights (0.5–0.8 m) (Table 2 and Fig. 9). This is because we aim at studying the impacts of effective water depth (deff—the sum of mean sea level and surge height) on the time histories of wave amplitudes as the storm evolves. As seen in Fig. 9a, by decreasing effective water depth, wave amplitude increases. For example, for Scn-1 with effective depth of 4.5 m, the maximum amplitude of the first wave is 1.6 m, whereas it is 2.9 m for Scn-2 with effective depth of 3.5 m. However, due to intensive reflections and interferences of the waves in front of the vertical seawall, such a relationship is barely seen for the second and the third wave peaks. It is important to note that the later peaks (second or third) produce the largest waves rather than the first wave. Extraordinary wave amplifications are seen for the Scn-2 (deff = 3.5 m) and Scn-7 (deff = 3.3 m), where the corresponding wave amplitudes are 4.5 m and 3.7 m, respectively. This may indicate that the effective water depth of deff = 3.3–3.5 m is possibly a critical water depth for this structure resulting in maximum wave amplitudes under similar storms. In the second wave impact, the combined wave height (i.e. the wave amplitude plus the effective water depth), which is ultimately an indicator of wave overtopping, shows that the largest wave heights are generated by Scn-2, 7 and 8 (Fig. 9a) with effective water depths of 3.5 m, 3.3 m and 3.8 m and combined heights of 8.0 m, 7.0 m and 6.9 m (Fig. 9b). Since the height of seawall is 5.4 m, the combined wave heights for Scn-2, 7 and 8 are greater than the crest height of the seawall by 2.6 m, 1.6 m and 1.5 m, respectively, which indicates wave overtopping.

figure 9
Fig. 9

For scenarios 11–20 (Fig. 10), with incident wave amplitudes of 1.5 m (Table 2), the largest wave amplitudes are produced by Scn-17 (deff = 3.3 m), Scn-13 (deff = 2.5 m) and Scn-12 (deff = 3.5 m), which are 5.6 m, 5.1 m and 4.5 m. The maximum combined wave heights belong to Scn-11 (deff = 4.5 m) and Scn-17 (deff = 3.3 m), with combined wave heights of 9.0 m and 8.9 m (Fig. 10b), which are greater than the crest height of the seawall by 4.6 m and 3.5 m, respectively.

figure 10
Fig. 10

Our simulations for all 20 scenarios reveal that the first wave is not always the largest and wave interactions, reflections and interferences play major roles in amplifying the waves in front of the seawall. This is primarily because the wall is fully vertical and therefore has a reflection coefficient of close to one (i.e. full reflection). Simulations show that the combined wave height is up to 4.6 m higher than the crest height of the wall, implying that severe overtopping would be expected.

Results of wave loading calculations

The pressure calculations for scenarios 1–10 are given in Fig. 11 and those of scenarios 11–20 in Fig. 12. The total pressure distribution in Figs. 11, 12 mostly follows a triangular shape with maximum pressure at the seafloor as expected from the Sainflou (1928) design equations. These pressure plots comprise both static (due to mean sea level in front of the wall) and dynamic (combined effects of surge and wave) pressures. For incident wave amplitudes of 0.5 m (Fig. 11), the maximum wave pressure varies in the range of 35–63 kPa. At the sea surface, it is in the range of 4–20 kPa (Fig. 11). For some scenarios (Scn-2 and 7), the pressure distribution deviates from a triangular shape and shows larger pressures at the top, which is attributed to the wave impacts and partial breaking at the sea surface. This adds an additional triangle-shaped pressure distribution at the sea surface elevation consistent with the design procedure developed by Goda (2000) for braking waves. The maximum force on the seawall due to scenarios 1–10, which is calculated by integrating the maximum pressure distribution over the wave-facing surface of the seawall, is in the range of 92–190 KN (Table 2).

figure 11
Fig. 11
figure 12
Fig. 12

For scenarios 11–20, with incident wave amplitude of 1.5 m, wave pressures of 45–78 kPa and 7–120 kPa, for  the bottom and top of the wall, respectively, were observed (Fig. 12). Most of the plots show a triangular pressure distribution, except for Scn-11 and 15. A significant increase in wave impact pressure is seen for Scn-15 at the top of the structure, where a maximum pressure of approximately 120 kPa is produced while other scenarios give a pressure of 7–32 kPa for the sea surface. In other words, the pressure from Scn-15 is approximately four times larger than the other scenarios. Such a significant increase of the pressure at the top is most likely attributed to the breaking wave impact loads as detailed by Goda (2000) and Cuomo et al. (2010). The wave simulation snapshots in Fig. 8 show that the wave breaks before reaching the wall. The maximum force due to scenarios 11–20 is 120–286 KN.

The breaking wave impacts peaking at 286 KN in our simulations suggest destabilisation of the upper masonry blocks, probably by grout malfunction. This significant impact force initiated the failure of the seawall which in turn caused extensive ballast erosion. Wave impact damage was proposed by Adams and Heidarzadeh (2021) as one of the primary mechanisms in the 2014 Dawlish disaster. In the multi-hazard risk model proposed by these authors, damage mechanism III (failure pathway 5 in Adams and Heidarzadeh, 2021) was characterised by wave impact force causing damage to the masonry elements, leading to failure of the upper sections of the seawall and loss of infill material. As blocks were removed, access to the track bed was increased for inbound waves allowing infill material from behind the seawall to be fluidised and subsequently removed by backwash. The loss of infill material critically compromised the stability of the seawall and directly led to structural failure. In parallel, significant wave overtopping (discussed in the next section) led to ballast washout and cascaded, in combination with masonry damage, to catastrophic failure of the wall and suspension of the rails in mid-air (Fig. 1b), leaving the railway inoperable for two months.

Wave Overtopping

The two most important factors contributing to the 2014 Dawlish railway catastrophe were wave impact forces and overtopping. Figure 13 gives the instantaneous overtopping rates for different scenarios, which experienced overtopping. It can be seen that the overtopping rates range from 0.5 m3/s/m to 16.1 m3/s/m (Fig. 13). Time histories of the wave overtopping rates show that the phenomenon occurs intermittently, and each time lasts 1.0–7.0 s. It is clear that the longer the overtopping time, the larger the volume of the water poured on the structure. The largest wave overtopping rates of 16.1 m3/s/m and 14.4 m3/s/m belong to Scn-20 and 11, respectively. These are the two scenarios that also give the largest combined wave heights (Fig. 10b).

figure 13
Fig. 13

The cumulative overtopping curves (Figs. 14, 15) show the total water volume overtopped the structure during the entire simulation time. This is an important hazard factor as it determines the level of soil saturation, water pore pressure in the soil and soil erosion (Van der Meer et al. 2018). The maximum volume belongs to Scn-20, which is 65.0 m3/m (m-cubed of water per metre length of the wall). The overtopping volumes are 42.7 m3/m for Scn-11 and 28.8 m3/m for Scn-19. The overtopping volume is in the range of 0.7–65.0 m3/m for all scenarios.

figure 14
Fig. 14
figure 15
Fig. 15

For comparison, we compare our modelling results with those estimated using empirical equations. For the case of the Dawlish seawall, we apply the equation proposed by Van Der Meer et al. (2018) to estimate wave overtopping rates, based on a set of decision criteria which are the influence of foreshore, vertical wall, possible breaking waves and low freeboard:

qgH3m−−−−√=0.0155(Hmhs)12e(−2.2RcHm)qgHm3=0.0155(Hmhs)12e(−2.2RcHm)

(6)

where qq is the mean overtopping rate per metre length of the seawall (m3/s/m), gg is the acceleration due to gravity, HmHm is the incident wave height at the toe of the structure, RcRc is the wall crest height above mean sea level, hshs is the deep-water significant wave height and e(x)e(x) is the exponential function. It is noted that Eq. (6) is valid for 0.1<RcHm<1.350.1<RcHm<1.35. For the case of the Dawlish seawall and considering the scenarios with larger incident wave amplitude of 1.5 m (hshs= 1.5 m), the incident wave height at the toe of the structure is HmHm = 2.2—5.6 m, and the wall crest height above mean sea level is RcRc = 0.6–2.9 m. As a result, Eq. (6) gives mean overtopping rates up to approximately 2.9 m3/s/m. A visual inspection of simulated overtopping rates in Fig. 13 for Scn 11–20 shows that the mean value of the simulated overtopping rates (Fig. 13) is close to estimates using Eq. (6).

Discussion and conclusions

We applied a combination of eyewitness account analysis, sea level data analysis and numerical modelling in combination with our engineering judgement to explain the damage to the Dawlish railway seawall in February 2014. Main findings are:

  • Eyewitness data analysis showed that the extreme nature of the event was well forecasted in the hours prior to the storm impact; however, the magnitude of the risks to the structures was not well understood. Multiple hazards were activated simultaneously, and the effects cascaded to amplify the damage. Disaster management was effective, exemplified by the establishment of an emergency rendezvous point and temporary evacuation centre during the storm, indicating a high level of hazard awareness and preparedness.
  • Based on sea level data analysis, we identified triple peak period bands at 4–8, 8–12 and 20–25 s in the sea level data. Storm surge heights and wave oscillations were up to 0.8 m and 1.5 m, respectively.
  • Based on the numerical simulations of 20 scenarios with different water depths, incident wave amplitudes, surge heights and peak periods, we found that the wave oscillations at the foot of the seawall result in multiple wave interactions and interferences. Consequently, large wave amplitudes, up to 4.6 m higher than the height of the seawall, were generated and overtopped the wall. Extreme impulsive wave impact forces of up to 286 KN were generated by the waves interacting with the seawall.
  • We measured maximum wave overtopping rates of 0.5–16.1 m3/s/m for our scenarios. The cumulative overtopping water volumes per metre length of the wall were 0.7–65.0 m3/m.
  • Analysis of all the evidence combined with our engineering judgement suggests that the most likely initiating cause of the failure was impulsive wave impact forces destabilising one or more grouted joints between adjacent masonry blocks in the wall. Maximum observed pressures of 286 KN in our simulations are four times greater in magnitude than background pressures leading to block removal and initiating failure. Therefore, the sequence of cascading events was :1) impulsive wave impact force causing damage to masonry, 2) failure of the upper sections of the seawall, 3) loss of infill resulting in a reduction of structural strength in the landward direction, 4) ballast washout as wave overtopping and inbound wave activity increased and 5) progressive structural failure following successive tides.

From a risk mitigation point of view, the stability of the seawall in the face of future energetic cyclonic storm events and sea level rise will become a critical factor in protecting the rail network. Mitigation efforts will involve significant infrastructure investment to strengthen the civil engineering assets combined with improved hazard warning systems consisting of meteorological forecasting and real-time wave observations and instrumentation. These efforts must take into account the amenity value of coastal railway infrastructure to local communities and the significant number of tourists who visit every year. In this regard, public awareness and active engagement in the planning and execution of the project will be crucial in order to secure local stakeholder support for the significant infrastructure project that will be required for future resilience.

Notes

  1. https://www.networkrail.co.uk/..
  2. https://www.flow3d.com/products/flow-3d-hydro/.
  3. https://www.devonmuseums.net/Dawlish-Museum/Devon-Museums/.
  4. https://ntslf.org/.
  5. https://www.datawell.nl/Products/Buoys/DirectionalWaveriderMkIII.aspx.
  6. https://www.bodc.ac.uk/.
  7. https://coastalmonitoring.org/cco/.
  8. https://webapp.navionics.com/#boating@8&key=iactHlwfP.

References

Download references

Acknowledgements

We are grateful to Brunel University London for administering the scholarship awarded to KA. The Flow3D-Hydro used in this research for numerical modelling is licenced to Brunel University London through an academic programme contract. We sincerely thank Prof Harsh Gupta (Editor-in-Chief) and two anonymous reviewers for their constructive review comments.

Funding

This project was funded by the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) through a PhD scholarship to Keith Adams.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Civil and Environmental Engineering, Brunel University London, Uxbridge, UB8 3PH, UKKeith Adams
  2. Department of Architecture and Civil Engineering, University of Bath, Bath, BA2 7AY, UKMohammad Heidarzadeh

Corresponding author

Correspondence to Keith Adams.

Ethics declarations

Conflict of interest

The authors have no relevant financial or non-financial interests to disclose.

Availability of data

All data used in this study are provided in the body of the article.

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Publisher’s Note

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About this article

Cite this article

Adams, K., Heidarzadeh, M. Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling. Nat Hazards (2022). https://doi.org/10.1007/s11069-022-05692-2

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  • Received17 May 2022
  • Accepted17 October 2022
  • Published14 November 2022
  • DOIhttps://doi.org/10.1007/s11069-022-05692-2

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Keywords

  • Storm surge
  • Cyclone
  • Railway
  • Climate change
  • Infrastructure
  • Resilience
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Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

TianLiabJ.M.T.DaviesaXiangzhenZhuc
aUniversity of Birmingham, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
bGrainger and Worrall Ltd, Bridgnorth WV15 5HP, United Kingdom
cBrunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University London, Kingston Ln, London, Uxbridge UB8 3PH, United Kingdom

Abstract

An entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) acts a void containing an entrapped gas when submerged into a light-alloy melt, thus reducing the quality and reproducibility of the final castings. Previous publications, carried out with Al-alloy castings, reported that this trapped gas could be subsequently consumed by the reaction with the surrounding melt, thus reducing the void volume and negative effect of entrainment defects. Compared with Al-alloys, the entrapped gas within Mg-alloy might be more efficiently consumed due to the relatively high reactivity of magnesium. However, research into the entrainment defects within Mg alloys has been significantly limited. In the present work, AZ91 alloy castings were produced under different carrier gas atmospheres (i.e., SF6/CO2, SF6/air). The evolution processes of the entrainment defects contained in AZ91 alloy were suggested according to the microstructure inspections and thermodynamic calculations. The defects formed in the different atmospheres have a similar sandwich-like structure, but their oxide films contained different combinations of compounds. The use of carrier gases, which were associated with different entrained-gas consumption rates, affected the reproducibility of AZ91 castings.

연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주물을 사용하여 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF6/CO2, SF6/공기)에서 생산되었습니다. AZ91 합금에 포함된 연행 결함의 진화 과정은 미세 조직 검사 및 열역학 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

Keywords

Magnesium alloy, Casting, Oxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

1. Introduction

As the lightest structural metal available on Earth, magnesium became one of the most attractive light metals over the last few decades. The magnesium industry has consequently experienced a rapid development in the last 20 years [1,2], indicating a large growth in demand for Mg alloys all over the world. Nowadays, the use of Mg alloys can be found in the fields of automobiles, aerospace, electronics and etc.[3,4]. It has been predicted that the global consumption of Mg metals will further increase in the future, especially in the automotive industry, as the energy efficiency requirement of both traditional and electric vehicles further push manufactures lightweight their design [3,5,6].

The sustained growth in demand for Mg alloys motivated a wide interest in the improvement of the quality and mechanical properties of Mg-alloy castings. During a Mg-alloy casting process, surface turbulence of the melt can lead to the entrapment of a doubled-over surface film containing a small quantity of the surrounding atmosphere, thus forming an entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) [7], [8], [9], [10]. The random size, quantity, orientation, and placement of entrainment defects are widely accepted to be significant factors linked to the variation of casting properties [7]. In addition, Peng et al. [11] found that entrained oxides films in AZ91 alloy melt acted as filters to Al8Mn5 particles, trapping them as they settle. Mackie et al. [12] further suggested that entrained oxide films can act to trawl the intermetallic particles, causing them to cluster and form extremely large defects. The clustering of intermetallic compounds made the entrainment defects more detrimental for the casting properties.

Most of the previous studies regarding entrainment defects were carried out on Al-alloys [7,[13], [14], [15], [16], [17], [18], and a few potential methods have been suggested for diminishing their negative effect on the quality of Al-alloy castings. Nyahumwa et al.,[16] shows that the void volume within entrainment defects could be reduced by a hot isostatic pressing (HIP) process. Campbell [7] suggested the entrained gas within the defects could be consumed due to reaction with the surrounding melt, which was further verified by Raiszedeh and Griffiths [19].The effect of the entrained gas consumption on the mechanical properties of Al-alloy castings has been investigated by [8,9], suggesting that the consumption of the entrained gas promoted the improvement of the casting reproducibility.

Compared with the investigation concerning the defects within Al-alloys, research into the entrainment defects within Mg-alloys has been significantly limited. The existence of entrainment defects has been demonstrated in Mg-alloy castings [20,21], but their behaviour, evolution, as well as entrained gas consumption are still not clear.

In a Mg-alloy casting process, the melt is usually protected by a cover gas to avoid magnesium ignition. The cavities of sand or investment moulds are accordingly required to be flushed with the cover gas prior to the melt pouring [22]. Therefore, the entrained gas within Mg-alloy castings should contain the cover gas used in the casting process, rather than air only, which may complicate the structure and evolution of the corresponding entrainment defects.

SF6 is a typical cover gas widely used for Mg-alloy casting processes [23], [24], [25]. Although this cover gas has been restricted to use in European Mg-alloy foundries, a commercial report has pointed out that this cover is still popular in global Mg-alloy industry, especially in the countries which dominated the global Mg-alloy production, such as China, Brazil, India, etc. [26]. In addition, a survey in academic publications also showed that this cover gas was widely used in recent Mg-alloy studies [27]. The protective mechanism of SF6 cover gas (i.e., the reaction between liquid Mg-alloy and SF6 cover gas) has been investigated by several previous researchers, but the formation process of the surface oxide film is still not clearly understood, and even some published results are conflicting with each other. In early 1970s, Fruehling [28] found that the surface film formed under SF6 was MgO mainly with traces of fluorides, and suggested that SF6 was absorbed in the Mg-alloy surface film. Couling [29] further noticed that the absorbed SF6 reacted with the Mg-alloy melt to form MgF2. In last 20 years, different structures of the Mg-alloy surface films have been reported, as detailed below.(1)

Single-layered film. Cashion [30,31] used X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Spectroscopy (AES) to identify the surface film as MgO and MgF2. He also found that composition of the film was constant throughout the thickness and the whole experimental holding time. The film observed by Cashion had a single-layered structure created from a holding time from 10 min to 100 min.(2)

Double-layered film. Aarstad et. al [32] reported a doubled-layered surface oxide film in 2003. They observed several well-distributed MgF2 particles attached to the preliminary MgO film and grew until they covered 25–50% of the total surface area. The inward diffusion of F through the outer MgO film was the driving force for the evolution process. This double-layered structure was also supported by Xiong’s group [25,33] and Shih et al. [34].(3)

Triple-layered film. The triple-layered film and its evolution process were reported in 2002 by Pettersen [35]. Pettersen found that the initial surface film was a MgO phase and then gradually evolved to the stable MgF2 phase by the inward diffusion of F. In the final stage, the film has a triple-layered structure with a thin O-rich interlayer between the thick top and bottom MgF2 layers.(4)

Oxide film consisted of discrete particles. Wang et al [36] stirred the Mg-alloy surface film into the melt under a SF6 cover gas, and then inspect the entrained surface film after the solidification. They found that the entrained surface films were not continues as the protective surface films reported by other researchers but composed of discrete particles. The young oxide film was composed of MgO nano-sized oxide particles, while the old oxide films consist of coarse particles (about 1  µm in average size) on one side that contained fluorides and nitrides.

The oxide films of a Mg-alloy melt surface or an entrained gas are both formed due to the reaction between liquid Mg-alloy and the cover gas, thus the above-mentioned research regarding the Mg-alloy surface film gives valuable insights into the evolution of entrainment defects. The protective mechanism of SF6 cover gas (i.e., formation of a Mg-alloy surface film) therefore indicated a potential complicated evolution process of the corresponding entrainment defects.

However, it should be noted that the formation of a surface film on a Mg-alloy melt is in a different situation to the consumption of an entrained gas that is submerged into the melt. For example, a sufficient amount of cover gas was supported during the surface film formation in the studies previously mentioned, which suppressed the depletion of the cover gas. In contrast, the amount of entrained gas within a Mg-alloy melt is finite, and the entrained gas may become fully depleted. Mirak [37] introduced 3.5%SF6/air bubbles into a pure Mg-alloy melt solidifying in a specially designed permanent mould. It was found that the gas bubbles were entirely consumed, and the corresponding oxide film was a mixture of MgO and MgF2. However, the nucleation sites (such as the MgF2 spots observed by Aarstad [32] and Xiong [25,33]) were not observed. Mirak also speculated that the MgF2 formed prior to MgO in the oxide film based on the composition analysis, which was opposite to the surface film formation process reported in previous literatures (i.e., MgO formed prior to MgF2). Mirak’s work indicated that the oxide-film formation of an entrained gas may be quite different from that of surface films, but he did not reveal the structure and evolution of the oxide films.

In addition, the use of carrier gas in the cover gases also influenced the reaction between the cover gas and the liquid Mg-alloy. SF6/air required a higher content of SF6 than did a SF6/CO2 carrier gas [38], to avoid the ignition of molten magnesium, revealing different gas-consumption rates. Liang et.al [39] suggested that carbon was formed in the surface film when CO2 was used as a carrier gas, which was different from the films formed in SF6/air. An investigation into Mg combustion [40] reported a detection of Mg2C3 in the Mg-alloy sample after burning in CO2, which not only supported Liang’s results, but also indicated a potential formation of Mg carbides in double oxide film defects.

The work reported here is an investigation into the behaviour and evolution of entrainment defects formed in AZ91 Mg-alloy castings, protected by different cover gases (i.e., SF6/air and SF6/CO2). These carrier gases have different protectability for liquid Mg alloy, which may be therefore associated with different consumption rates and evolution processes of the corresponding entrained gases. The effect of the entrained-gas consumption on the reproducibility of AZ91 castings was also studied.

2. Experiment

2.1. Melting and casting

Three kilograms AZ91 alloy was melted in a mild steel crucible at 700 ± 5 °C. The composition of the AZ91 alloy has been shown in Table 1. Prior to heating, all oxide scale on the ingot surface was removed by machining. The cover gases used were 0.5%SF6/air or 0.5%SF6/CO2 (vol.%) at a flow rate of 6 L/min for different castings. The melt was degassed by argon with a flow rate of 0.3 L/min for 15 min [41,42], and then poured into sand moulds. Prior to pouring, the sand mould cavity was flushed with the cover gas for 20 min [22]. The residual melt (around 1 kg) was solidified in the crucible.

Table 1. Composition (wt.%) of the AZ91 alloy used in this study.

AlZnMnSiFeNiMg
9.40.610.150.020.0050.0017Residual

Fig. 1(a) shows the dimensions of the casting with runners. A top-filling system was deliberately used to generate entrainment defects in the final castings. Green and Campbell [7,43] suggested that a top-filling system caused more entrainment events (i.e., bifilms) during a casting process, compared with a bottom-filling system. A melt flow simulation (Flow-3D software) of this mould, using Reilly’s model [44] regarding the entrainment events, also predicted that a large amount of bifilms would be contained in the final casting (denoted by the black particles in Fig. 1b).

Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

Shrinkage defects also affect the mechanical properties and reproducibility of castings. Since this study focused on the effect of bifilms on the casting quality, the mould has been deliberately designed to avoid generating shrinkage defects. A solidification simulation using ProCAST software showed that no shrinkage defect would be contained in the final casting, as shown in Fig. 1c. The casting soundness has also been confirmed using a real time X-ray prior to the test bar machining.

The sand moulds were made from resin-bonded silica sand, containing 1wt. % PEPSET 5230 resin and 1wt. % PEPSET 5112 catalyst. The sand also contained 2 wt.% Na2SiF6 to act as an inhibitor [45]. The pouring temperature was 700 ± 5 °C. After the solidification, a section of the runner bars was sent to the Sci-Lab Analytical Ltd for a H-content analysis (LECO analysis), and all the H-content measurements were carried out on the 5th day after the casting process. Each of the castings was machined into 40 test bars for a tensile strength test, using a Zwick 1484 tensile test machine with a clip extensometer. The fracture surfaces of the broken test bars were examined using Scanning Electron Microscope (SEM, Philips JEOL7000) with an accelerating voltage of 5–15 kV. The fractured test bars, residual Mg-alloy solidified in the crucible, and the casting runners were then sectioned, polished and also inspected using the same SEM. The cross-section of the oxide film found on the test-bar fracture surface was exposed by the Focused Ion Beam milling technique (FIB), using a CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM. The oxide film required to be analysed was coated with a platinum layer. Then, a gallium ion beam, accelerated to 30 kV, milled the material substrate surrounding the platinum coated area to expose the cross section of the oxide film. EDS analysis of the oxide film’s cross section was carried out using the FIB equipment at accelerating voltage of 30 kV.

2.2. Oxidation cell

As previously mentioned, several past researchers investigated the protective film formed on a Mg-alloy melt surface [38,39,[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]. During these experiments, the amount of cover gas used was sufficient, thus suppressing the depletion of fluorides in the cover gas. The experiment described in this section used a sealed oxidation cell, which limited the supply of cover gas, to study the evolution of the oxide films of entrainment defects. The cover gas contained in the oxidation cell was regarded as large-size “entrained bubble”.

As shown in Fig. 2, the main body of the oxidation cell was a closed-end mild steel tube which had an inner length of 400 mm, and an inner diameter of 32 mm. A water-cooled copper tube was wrapped around the upper section of the cell. When the tube was heated, the cooling system created a temperature difference between the upper and lower sections, causing the interior gas to convect within the tube. The temperature was monitored by a type-K thermocouple located at the top of the crucible. Nie et al. [53] suggested that the SF6 cover gas would react with the steel wall of the holding furnace when they investigated the surface film of a Mg-alloy melt. To avoid this reaction, the interior surface of the steel oxidation cell (shown in Fig. 2) and the upper half section of the thermocouple were coated with boron nitride (the Mg-alloy was not in contact with boron nitride).

Fig. 2. Schematic of the oxidation cell used to study the evolution of the oxide films of the entrainment defects (unit mm).

During the experiment, a block of solid AZ91 alloy was placed in a magnesia crucible located at the bottom of the oxidation cell. The cell was heated to 100 °C in an electric resistance furnace under a gas flow rate of 1 L/min. The cell was held at this temperature for 20 min, to replace the original trapped atmosphere (i.e. air). Then, the oxidation cell was further heated to 700 °C, melting the AZ91 sample. The gas inlet and exit valves were then closed, creating a sealed environment for oxidation under a limited supply of cover gas. The oxidation cell was then held at 700 ± 10 °C for periods of time from 5 min to 30 min in 5-min intervals. At the end of each holding time, the cell was quenched in water. After cooling to room temperature, the oxidised sample was sectioned, polished, and subsequently examined by SEM.

3. Results

3.1. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/air

The structure and composition of the entrainment defect formed in the AZ91 castings under a cover gas of 0.5%SF6/air was observed by SEM and EDS. The results indicate that there exist two types of entrainment defects which are sketched in Fig. 3: (1) Type A defect whose oxide film has a traditional single-layered structure and (2) Type B defect, whose oxide film has two layers. The details of these defects were introduced in the following. Here it should be noticed that, as the entrainment defects are also known as biofilms or double oxide film, the oxide films of Type B defect were referred to as “multi-layered oxide film” or “multi-layered structure” in the present work to avoid a confusing description such as “the double-layered oxide film of a double oxide film defect”.

Fig. 3. Schematic of the different types of entrainment defects found in AZ91 castings. (a) Type A defect with a single-layered oxide film and (b) Type B defect with two-layered oxide film.

Fig. 4(a-b) shows a Type A defect having a compact single-layered oxide film with about 0.4 µm thickness. Oxygen, fluorine, magnesium and aluminium were detected in this film (Fig. 4c). It is speculated that oxide film is the mixture of fluoride and oxide of magnesium and aluminium. The detection of fluorine revealed that an entrained cover gas was contained in the formation of this defect. That is to say that the pores shown in Fig. 4(a) were not shrinkage defects or hydrogen porosity, but entrainment defects. The detection of aluminium was different with Xiong and Wang’s previous study [47,48], which showed that no aluminium was contained in their surface film of an AZ91 melt protected by a SF6 cover gas. Sulphur could not be clearly recognized in the element map, but there was a S-peak in the corresponding ESD spectrum.

Fig. 4. (a) A Type A entrainment defect formed in SF6/air and having a single-layered oxide film, (b) the oxide film of this defect, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area highlighted in (b).

Fig. 5(a-b) shows a Type B entrainment defect having a multi-layered oxide film. The compact outer layers of the oxide films were enriched with fluorine and oxygen (Fig. 5c), while their relatively porous inner layers were only enriched with oxygen (i.e., poor in fluorine) and partly grew together, thus forming a sandwich-like structure. Therefore, it is speculated that the outer layer is the mixture of fluoride and oxide, while the inner layer is mainly oxide. Sulphur could only be recognized in the EDX spectrum and could not be clearly identified in the element map, which might be due to the small S-content in the cover gas (i.e., 0.5% volume content of SF6 in the cover gas). In this oxide film, aluminium was contained in the outer layer of this oxide film but could not be clearly detected in the inner layer. Moreover, the distribution of Al seems to be uneven. It can be found that, in the right side of the defect, aluminium exists in the film but its concentration can not be identified to be higher than the matrix. However, there is a small area with much higher aluminium concentration in the left side of the defect. Such an uneven distribution of aluminium was also observed in other defects (shown in the following), and it is the result of the formation of some oxide particles in or under the film.

Fig. 5. (a) A Type B entrainment defect formed in SF6/air and having a multi-layered oxide film, (b) the oxide films of this defect have grown together, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (b).

Figs. 4 and 5 show cross sectional observations of the entrainment defects formed in the AZ91 alloy sample cast under a cover gas of SF6/air. It is not sufficient to characterize the entrainment defects only by the figures observed from the two-dimensional section. To have a further understanding, the surface of the entrainment defects (i.e. the oxide film) was further studied by observing the fracture surface of the test bars.

Fig. 6(a) shows fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar produced in SF6/air. Symmetrical dark regions can be seen on both sides of the fracture surfaces. Fig. 6(b) shows boundaries between the dark and bright regions. The bright region consisted of jagged and broken features, while the surface of the dark region was relatively smooth and flat. In addition, the EDS results (Fig. 6c-d and Table 2) show that fluorine, oxygen, sulphur, and nitrogen were only detected in the dark regions, indicating that the dark regions were surface protective films entrained into the melt. Therefore, it could be suggested that the dark regions were an entrainment defect with consideration of their symmetrical nature. Similar defects on fracture surfaces of Al-alloy castings have been previously reported [7]. Nitrides were only found in the oxide films on the test-bar fracture surfaces but never detected in the cross-sectional samples shown in Figs. 4 and 5. An underlying reason is that the nitrides contained in these samples may have hydrolysed during the sample polishing process [54].

Fig. 6. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar produced under a cover gas of SF6/air. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) a section of the boundary between the dark and bright regions shown in (a), (c-d) EDS spectrum of the (c) bright regions and (d) dark regions, (e) schematic of an entrainment defect contained in a test bar.

Table 2. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 6 (cover gas: SF6/air).

Empty CellCOMgFAlZnSN
Dark region in Fig. 6(b)3.481.3279.130.4713.630.570.080.73
Bright region in Fig. 6(b)3.58–84.48–11.250.68––

In conjunction with the cross-sectional observation of the defects shown in Figs. 4 and 5, the structure of an entrainment defect contained in a tensile test bar was sketched as shown in Fig. 6(e). The defect contained an entrained gas enclosed by its oxide film, creating a void section inside the test bar. When the tensile force applied on the defect during the fracture process, the crack was initiated at the void section and propagated along the entrainment defect, since cracks would be propagated along the weakest path [55]. Therefore, when the test bar was finally fractured, the oxide films of entrainment defect appeared on both fracture surfaces of the test bar, as shown in Fig. 6(a).

3.2. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/CO2

Similar to the entrainment defect formed in SF6/air, the defects formed under a cover gas of 0.5%SF6/CO2 also had two types of oxide films (i.e., single-layered and multi-layered types). Fig. 7(a) shows an example of the entrainment defects containing a multi-layered oxide film. A magnified observation to the defect (Fig. 7b) shows that the inner layers of the oxide films had grown together, presenting a sandwich-like structure, which was similar to the defects formed in an atmosphere of SF6/air (Fig. 5b). An EDS spectrum (Fig. 7c) revealed that the joint area (inner layer) of this sandwich-like structure mainly contained magnesium oxides. Peaks of fluorine, sulphur, and aluminium were recognized in this EDS spectrum, but their amount was relatively small. In contrast, the outer layers of the oxide films were compact and composed of a mixture of fluorides and oxides (Fig. 7d-e).

Fig. 7. (a) An example of entrainment defects formed in SF6/CO2 and having a multi-layered oxide film, (b) magnified observation of the defect, showing the inner layer of the oxide films has grown together, (c) EDS spectrum of the point denoted in (b), (d) outer layer of the oxide film, (e) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (d).

Fig. 8(a) shows an entrainment defect on the fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar, which was produced in an atmosphere of 0.5%SF6/CO2. The corresponding EDS results (Table 3) showed that oxide film contained fluorides and oxides. Sulphur and nitrogen were not detected. Besides, a magnified observation (Fig. 8b) indicated spots on the oxide film surface. The diameter of the spots ranged from hundreds of nanometres to a few micron meters.

Fig. 8. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar, produced in an atmosphere of SF6/CO2. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) surface appearance of the oxide films on the fracture surfaces, showing spots on the film surface.

To further reveal the structure and composition of the oxide film clearly, the cross-section of the oxide film on a test-bar fracture surface was onsite exposed using the FIB technique (Fig. 9). As shown in Fig. 9a, a continuous oxide film was found between the platinum coating layer and the Mg-Al alloy substrate. Fig. 9 (b-c) shows a magnified observation to oxide films, indicating a multi-layered structure (denoted by the red box in Fig. 9c). The bottom layer was enriched with fluorine and oxygen and should be the mixture of fluoride and oxide, which was similar to the “outer layer” shown in Figs. 5 and 7, while the only-oxygen-enriched top layer was similar to the “inner layer” shown in Figs. 5 and 7.

Fig. 9. (a) A cross-sectional observation of the oxide film on the fracture surface of the AZ91 casting produced in SF6/CO2, exposed by FIB, (b) a magnified observation of area highlighted in (a), and (c) SEM-EDS elements map of the area shown in (b), obtained by CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM.

Except the continuous film, some individual particles were also observed in or below the continuous film, as shown in Fig. 9. An Al-enriched particle was detected in the left side of the oxide film shown in Fig. 9b and might be speculated to be spinel Mg2AlO4 because it also contains abundant magnesium and oxygen elements. The existing of such Mg2AlO4 particles is responsible for the high concentration of aluminium in small areas of the observed film and the uneven distribution of aluminium, as shown in Fig. 5(c). Here it should be emphasized that, although the other part of the bottom layer of the continuous oxide film contains less aluminium than this Al-enriched particle, the Fig. 9c indicated that the amount of aluminium in this bottom layer was still non-negligible, especially when comparing with the outer layer of the film. Below the right side of the oxide film shown in Fig. 9b, a particle was detected and speculated to be MgO because it is rich in Mg and O. According to Wang’s result [56], lots of discrete MgO particles can be formed on the surface of the Mg melt by the oxidation of Mg melt and Mg vapor. The MgO particles observed in our present work may be formed due to the same reasons. While, due to the differences in experimental conditions, less Mg melt can be vapored or react with O2, thus only a few of MgO particles formed in our work. An enrichment of carbon was also found in the film, revealing that CO2 was able to react with the melt, thus forming carbon or carbides. This carbon concentration was consistent with the relatively high carbon content of the oxide film shown in Table 3 (i.e., the dark region). In the area next to the oxide film.

Table 3. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 8 (cover gas: SF6/ CO2).

Empty CellCOMgFAlZnSN
Dark region in Fig. 8(a)7.253.6469.823.827.030.86––
Bright region in Fig. 8(a)2.100.4482.83–13.261.36––

This cross-sectional observation of the oxide film on a test bar fracture surface (Fig. 9) further verified the schematic of the entrainment defect shown in Fig. 6(e). The entrainment defects formed in different atmospheres of SF6/CO2 and SF6/air had similar structures, but their compositions were different.

3.3. Evolution of the oxide films in the oxidation cell

The results in Section 3.1 and 3.2 have shown the structures and compositions of entrainment defects formed in AZ91 castings under cover gases of SF6/air and SF6/CO2. Different stages of the oxidation reaction may lead to the different structures and compositions of entrainment defects. Although Campbell has conjectured that an entrained gas may react with the surrounding melt, it is rarely reported that the reaction occurring between the Mg-alloy melt and entrapped cover gas. Previous researchers normally focus on the reaction between a Mg-alloy melt and the cover gas in an open environment [38,39,[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], which was different from the situation of a cover gas trapped into the melt. To further understand the formation of the entrainment defect in an AZ91 alloy, the evolution process of oxide films of the entrainment defect was further studied using an oxidation cell.

Fig. 10 (a and d) shows a surface film held for 5 min in the oxidation cell, protected by 0.5%SF6/air. There was only one single layer consisting of fluoride and oxide (MgF2 and MgO). In this surface film. Sulphur was detected in the EDS spectrum, but its amount was too small to be recognized in the element map. The structure and composition of this oxide film was similar to the single-layered films of entrainment defects shown in Fig. 4.

Fig. 10. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/air and held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 10 min; (c) 30 min, and (d-f) the SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the oxide film shown in (a-c) respectively, (d) 5 min; (e) 10 min; (f) 30 min. The red points in (c and f) are the location references, denoting the boundary of the F-enriched layer in different element maps.

After a holding time of 10 min, a thin (O, S)-enriched top layer (around 700 nm) appeared upon the preliminary F-enriched film, forming a multi-layered structure, as shown in Fig. 10(b and e). The thickness of the (O, S)-enriched top layer increased with increased holding time. As shown in Fig. 10(c and f), the oxide film held for 30 min also had a multi-layered structure, but the thickness of its (O, S)-enriched top layer (around 2.5 µm) was higher than the that of the 10-min oxide film. The multi-layered oxide films shown in Fig. 10(b-c) presented a similar appearance to the films of the sandwich-like defect shown in Fig. 5.

The different structures of the oxide films shown in Fig. 10 indicated that fluorides in the cover gas would be preferentially consumed due to the reaction with the AZ91 alloy melt. After the depletion of fluorides, the residual cover gas reacted further with the liquid AZ91 alloy, forming the top (O, S)-enriched layer in the oxide film. Therefore, the different structures and compositions of entrainment defects shown in Figs. 4 and 5 may be due to an ongoing oxidation reaction between melt and entrapped cover gas.

This multi-layered structure has not been reported in previous publications concerning the protective surface film formed on a Mg-alloy melt [38,[46], [47], [48], [49], [50], [51]. This may be due to the fact that previous researchers carried out their experiments with an un-limited amount of cover gas, creating a situation where the fluorides in the cover gas were not able to become depleted. Therefore, the oxide film of an entrainment defect had behaviour traits similar to the oxide films shown in Fig. 10, but different from the oxide films formed on the Mg-alloy melt surface reported in [38,[46], [47], [48], [49], [50], [51].

Similar with the oxide films held in SF6/air, the oxide films formed in SF6/CO2 also had different structures with different holding times in the oxidation cell. Fig. 11(a) shows an oxide film, held on an AZ91 melt surface under a cover gas of 0.5%SF6/CO2 for 5 min. This film had a single-layered structure consisting of MgF2. The existence of MgO could not be confirmed in this film. After the holding time of 30 min, the film had a multi-layered structure; the inner layer was of a compact and uniform appearance and composed of MgF2, while the outer layer is the mixture of MgF2 and MgO. Sulphur was not detected in this film, which was different from the surface film formed in 0.5%SF6/air. Therefore, fluorides in the cover gas of 0.5%SF6/CO2 were also preferentially consumed at an early stage of the film growth process. Compared with the film formed in SF6/air, the MgO in film formed in SF6/CO2 appeared later and sulphide did not appear within 30 min. It may mean that the formation and evolution of film in SF6/air is faster than SF6/CO2. CO2 may have subsequently reacted with the melt to form MgO, while sulphur-containing compounds accumulated in the cover gas and reacted to form sulphide in very late stage (may after 30 min in oxidation cell).

Fig. 11. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/CO2, and their SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000). They were held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 30 min. The red points in (b) are the location references, denoting the boundary between the top and bottom layers in the oxide film.

4. Discussion

4.1. Evolution of entrainment defects formed in SF6/air

HSC software from Outokumpu HSC Chemistry for Windows (http://www.hsc-chemistry.net/) was used to carry out thermodynamic calculations needed to explore the reactions which might occur between the trapped gases and liquid AZ91 alloy. The solutions to the calculations suggest which products are most likely to form in the reaction process between a small amount of cover gas (i.e., the amount within a trapped bubble) and the AZ91-alloy melt.

In the trials, the pressure was set to 1 atm, and the temperature set to 700 °C. The amount of the cover gas was assumed to be 7 × 10−7 kg, with a volume of approximately 0.57 cm3 (3.14 × 10−8 kmol) for 0.5%SF6/air, and 0.35 cm3 (3.12 × 10−8 kmol) for 0.5%SF6/CO2. The amount of the AZ91 alloy melt in contact with the trapped gas was assumed to be sufficient to complete all reactions. The decomposition products of SF6 were SF5, SF4, SF3, SF2, F2, S(g), S2(g) and F(g) [57], [58], [59], [60].

Fig. 12 shows the equilibrium diagram of the thermodynamic calculation of the reaction between the AZ91 alloy and 0.5%SF6/air. In the diagram, the reactants and products with less than 10−15 kmol have not been shown, as this was 5 orders of magnitude less than the amount of SF6 present (≈ 1.57 × 10−10 kmol) and therefore would not affect the observed process in a practical way.

Fig. 12. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/air and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis is the amount of AZ91 alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis is the amount of the reactants and products.

This reaction process could be divided into 3 stages.

Stage 1: The formation of fluorides. the AZ91 melt preferentially reacted with SF6 and its decomposition products, producing MgF2, AlF3, and ZnF2. However, the amount of ZnF2 may have been too small to be detected practically (1.25 × 10−12 kmol of ZnF2 compared with 3 × 10−10 kmol of MgF2), which may be the reason why Zn was not detected in any the oxide films shown in Sections 3.1–3.3. Meanwhile, sulphur accumulated in the residual gas as SO2.

Stage 2: The formation of oxides. After the liquid AZ91 alloy had depleted all the available fluorides in the entrapped gas, the amount of AlF3 and ZnF2 quickly reduced due to a reaction with Mg. O2(g) and SO2 reacted with the AZ91 melt, forming MgO, Al2O3, MgAl2O4, ZnO, ZnSO4 and MgSO4. However, the amount of ZnO and ZnSO4 would have been too small to be found practically by EDS (e.g. 9.5 × 10−12 kmol of ZnO,1.38 × 10−14 kmol of ZnSO4, in contrast to 4.68 × 10−10 kmol of MgF2, when the amount of AZ91 on the X-axis is 2.5 × 10−9 kmol). In the experimental cases, the concentration of F in the cover gas is very low, whole the concentration f O is much higher. Therefore, the stage 1 and 2, i.e, the formation of fluoride and oxide may happen simultaneously at the beginning of the reaction, resulting in the formation of a singer-layered mixture of fluoride and oxide, as shown in Figs. 4 and 10(a). While an inner layer consisted of oxides but fluorides could form after the complete depletion of F element in the cover gas.

Stages 1- 2 theoretically verified the formation process of the multi-layered structure shown in Fig. 10.

The amount of MgAl2O4 and Al2O3 in the oxide film was of a sufficient amount to be detected, which was consistent with the oxide films shown in Fig. 4. However, the existence of aluminium could not be recognized in the oxide films grown in the oxidation cell, as shown in Fig. 10. This absence of Al may be due to the following reactions between the surface film and AZ91 alloy melt:(1)

Al2O3 + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700 °C) = -119.82 kJ/mol(2)

Mg + MgAl2O4 = MgO + Al, △G(700 °C) =-106.34 kJ/molwhich could not be simulated by the HSC software since the thermodynamic calculation was carried out under an assumption that the reactants were in full contact with each other. However, in a practical process, the AZ91 melt and the cover gas would not be able to be in contact with each other completely, due to the existence of the protective surface film.

Stage 3: The formation of Sulphide and nitride. After a holding time of 30 min, the gas-phase fluorides and oxides in the oxidation cell had become depleted, allowing the melt reaction with the residual gas, forming an additional sulphur-enriched layer upon the initial F-enriched or (F, O)-enriched surface film, thus resulting in the observed multi-layered structure shown in Fig. 10 (b and c). Besides, nitrogen reacted with the AZ91 melt until all reactions were completed. The oxide film shown in Fig. 6 may correspond to this reaction stage due to its nitride content. However, the results shows that the nitrides were not detected in the polished samples shown in Figs. 4 and 5, but only found on the test bar fracture surfaces. The nitrides may have hydrolysed during the sample preparation process, as follows [54]:(3)

Mg3N2 + 6H2O =3Mg(OH)2 + 2NH3↑(4)

AlN+ 3H2O =Al(OH)3 + NH3↑

In addition, Schmidt et al. [61] found that Mg3N2 and AlN could react to form ternary nitrides (Mg3AlnNn+2, n= 1, 2, 3…). HSC software did not contain the database of ternary nitrides, and it could not be added into the calculation. The oxide films in this stage may also contain ternary nitrides.

4.2. Evolution of entrainment defects formed in SF6/CO2

Fig. 13 shows the results of the thermodynamic calculation between AZ91 alloy and 0.5%SF6/CO2. This reaction processes can also be divided into three stages.

Fig. 13. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/CO2 and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis denotes the amount of Mg alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis denotes the amounts of the reactants and products.

Stage 1: The formation of fluorides. SF6 and its decomposition products were consumed by the AZ91 melt, forming MgF2, AlF3, and ZnF2. As in the reaction of AZ91 in 0.5%SF6/air, the amount of ZnF2 was too small to be detected practically (1.51 × 10−13 kmol of ZnF2 compared with 2.67 × 10−10 kmol of MgF2). Sulphur accumulated in the residual trapped gas as S2(g) and a portion of the S2(g) reacted with CO2, to form SO2 and CO. The products in this reaction stage were consistent with the film shown in Fig. 11(a), which had a single layer structure that contained fluorides only.

Stage 2: The formation of oxides. AlF3 and ZnF2 reacted with the Mg in the AZ91 melt, forming MgF2, Al and Zn. The SO2 began to be consumed, producing oxides in the surface film and S2(g) in the cover gas. Meanwhile, the CO2 directly reacted with the AZ91 melt, forming CO, MgO, ZnO, and Al2O3. The oxide films shown in Figs. 9 and 11(b) may correspond to this reaction stage due to their oxygen-enriched layer and multi-layered structure.

The CO in the cover gas could further react with the AZ91 melt, producing C. This carbon may further react with Mg to form Mg carbides, when the temperature reduced (during solidification period) [62]. This may be the reason for the high carbon content in the oxide film shown in Figs. 8–9. Liang et al. [39] also reported carbon-detection in an AZ91 alloy surface film protected by SO2/CO2. The produced Al2O3 may be further combined with MgO, forming MgAl2O4 [63]. As discussed in Section 4.1, the alumina and spinel can react with Mg, causing an absence of aluminium in the surface films, as shown in Fig. 11.

Stage 3: The formation of Sulphide. the AZ91 melt began to consume S2(g) in the residual entrapped gas, forming ZnS and MgS. These reactions did not occur until the last stage of the reaction process, which could be the reason why the S-content in the defect shown Fig. 7(c) was small.

In summary, thermodynamic calculations indicate that the AZ91 melt will react with the cover gas to form fluorides firstly, then oxides and sulphides in the last. The oxide film in the different reaction stages would have different structures and compositions.

4.3. Effect of the carrier gases on consumption of the entrained gas and the reproducibility of AZ91 castings

The evolution processes of entrainment defects, formed in SF6/air and SF6/CO2, have been suggested in Sections 4.1 and 4.2. The theoretical calculations were verified with respect to the corresponding oxide films found in practical samples. The atmosphere within an entrainment defect could be efficiently consumed due to the reaction with liquid Mg-alloy, in a scenario dissimilar to the Al-alloy system (i.e., nitrogen in an entrained air bubble would not efficiently react with Al-alloy melt [64,65], however, nitrogen would be more readily consumed in liquid Mg alloys, commonly referred to as “nitrogen burning” [66]).

The reaction between the entrained gas and the surrounding liquid Mg-alloy converted the entrained gas into solid compounds (e.g. MgO) within the oxide film, thus reducing the void volume of the entrainment defect and hence probably causing a collapse of the defect (e.g., if an entrained gas of air was depleted by the surrounding liquid Mg-alloy, under an assumption that the melt temperature is 700 °C and the depth of liquid Mg-alloy is 10 cm, the total volume of the final solid products would be 0.044% of the initial volume taken by the entrapped air).

The relationship between the void volume reduction of entrainment defects and the corresponding casting properties has been widely studied in Al-alloy castings. Nyahumwa and Campbell [16] reported that the Hot Isostatic Pressing (HIP) process caused the entrainment defects in Al-alloy castings to collapse and their oxide surfaces forced into contact. The fatigue lives of their castings were improved after HIP. Nyahumwa and Campbell [16] also suggested a potential bonding of the double oxide films that were in contact with each other, but there was no direct evidence to support this. This binding phenomenon was further investigated by Aryafar et.al.[8], who re-melted two Al-alloy bars with oxide skins in a steel tube and then carried out a tensile strength test on the solidified sample. They found that the oxide skins of the Al-alloy bars strongly bonded with each other and became even stronger with an extension of the melt holding time, indicating a potential “healing” phenomenon due to the consumption of the entrained gas within the double oxide film structure. In addition, Raidszadeh and Griffiths [9,19] successfully reduced the negative effect of entrainment defects on the reproducibility of Al-alloy castings, by extending the melt holding time before solidification, which allowed the entrained gas to have a longer time to react with the surrounding melt.

With consideration of the previous work mentioned, the consumption of the entrained gas in Mg-alloy castings may diminish the negative effect of entrainment defects in the following two ways.

(1) Bonding phenomenon of the double oxide films. The sandwich-like structure shown in Fig. 5 and 7 indicated a potential bonding of the double oxide film structure. However, more evidence is required to quantify the increase in strength due to the bonding of the oxide films.

(2) Void volume reduction of entrainment defects. The positive effect of void-volume reduction on the quality of castings has been widely demonstrated by the HIP process [67]. As the evolution processes discussed in Section 4.1–4.2, the oxide films of entrainment defects can grow together due to an ongoing reaction between the entrained gas and surrounding AZ91 alloy melt. The volume of the final solid products was significant small compared with the entrained gas (i.e., 0.044% as previously mentioned).

Therefore, the consumption rate of the entrained gas (i.e., the growth rate of oxide films) may be a critical parameter for improving the quality of AZ91 alloy castings. The oxide film growth rate in the oxidization cell was accordingly further investigated.

Fig. 14 shows a comparison of the surface film growth rates in different cover gases (i.e., 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2). 15 random points on each sample were selected for film thickness measurements. The 95% confidence interval (95%CI) was computed under an assumption that the variation of the film thickness followed a Gaussian distribution. It can be seen that all the surface films formed in 0.5%SF6/air grew faster than those formed in 0.5%SF6/CO2. The different growth rates suggested that the entrained-gas consumption rate of 0.5%SF6/air was higher than that of 0.5%SF6/CO2, which was more beneficial for the consumption of the entrained gas.

Fig. 14. A comparison of the AZ91 alloy oxide film growth rates in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2

It should be noted that, in the oxidation cell, the contact area of liquid AZ91 alloy and cover gas (i.e. the size of the crucible) was relatively small with consideration of the large volume of melt and gas. Consequently, the holding time for the oxide film growth within the oxidation cell was comparatively long (i.e., 5–30 min). However, the entrainment defects contained in a real casting are comparatively very small (i.e., a few microns size as shown in Figs. 3–6, and [7]), and the entrained gas is fully enclosed by the surrounding melt, creating a relatively large contact area. Hence the reaction time for cover gas and the AZ91 alloy melt may be comparatively short. In addition, the solidification time of real Mg-alloy sand castings can be a few minutes (e.g. Guo [68] reported that a Mg-alloy sand casting with 60 mm diameter required 4 min to be solidified). Therefore, it can be expected that an entrained gas trapped during an Mg-alloy melt pouring process will be readily consumed by the surrounding melt, especially for sand castings and large-size castings, where solidification times are long.

Therefore, the different cover gases (0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2) associated with different consumption rates of the entrained gases may affect the reproducibility of the final castings. To verify this assumption, the AZ91 castings produced in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2 were machined into test bars for mechanical evaluation. A Weibull analysis was carried out using both linear least square (LLS) method and non-linear least square (non-LLS) method [69].

Fig. 15(a-b) shows a traditional 2-p linearized Weibull plot of the UTS and elongation of the AZ91 alloy castings, obtained by the LLS method. The estimator used is P= (i-0.5)/N, which was suggested to cause the lowest bias among all the popular estimators [69,70]. The casting produced in SF6/air has an UTS Weibull moduli of 16.9, and an elongation Weibull moduli of 5.0. In contrast, the UTS and elongation Weibull modulus of the casting produced in SF6/CO2 are 7.7 and 2.7 respectively, suggesting that the reproducibility of the casting protected by SF6/CO2 were much lower than that produced in SF6/air.

Fig. 15. The Weibull modulus of AZ91 castings produced in different atmospheres, estimated by (a-b) the linear least square method, (c-d) the non-linear least square method, where SSR is the sum of residual squares.

In addition, the author’s previous publication [69] demonstrated a shortcoming of the linearized Weibull plots, which may cause a higher bias and incorrect R2 interruption of the Weibull estimation. A Non-LLS Weibull estimation was therefore carried out, as shown in Fig. 15 (c-d). The UTS Weibull modulus of the SF6/air casting was 20.8, while the casting produced under SF6/CO2 had a lower UTS Weibull modulus of 11.4, showing a clear difference in their reproducibility. In addition, the SF6/air elongation (El%) dataset also had a Weibull modulus (shape = 5.8) higher than the elongation dataset of SF6/CO2 (shape = 3.1). Therefore, both the LLS and Non-LLS estimations suggested that the SF6/air casting has a higher reproducibility than the SF6/CO2 casting. It supports the method that the use of air instead of CO2 contributes to a quicker consumption of the entrained gas, which may reduce the void volume within the defects. Therefore, the use of 0.5%SF6/air instead of 0.5%SF6/CO2 (which increased the consumption rate of the entrained gas) improved the reproducibility of the AZ91 castings.

However, it should be noted that not all the Mg-alloy foundries followed the casting process used in present work. The Mg-alloy melt in present work was degassed, thus reducing the effect of hydrogen on the consumption of the entrained gas (i.e., hydrogen could diffuse into the entrained gas, potentially suppressing the depletion of the entrained gas [7,71,72]). In contrast, in Mg-alloy foundries, the Mg-alloy melt is not normally degassed, since it was widely believed that there is not a ‘gas problem’ when casting magnesium and hence no significant change in tensile properties [73]. Although studies have shown the negative effect of hydrogen on the mechanical properties of Mg-alloy castings [41,42,73], a degassing process is still not very popular in Mg-alloy foundries.

Moreover, in present work, the sand mould cavity was flushed with the SF6 cover gas prior to pouring [22]. However, not all the Mg-alloy foundries flushed the mould cavity in this way. For example, the Stone Foundry Ltd (UK) used sulphur powder instead of the cover-gas flushing. The entrained gas within their castings may be SO2/air, rather than the protective gas.

Therefore, although the results in present work have shown that using air instead of CO2 improved the reproducibility of the final casting, it still requires further investigations to confirm the effect of carrier gases with respect to different industrial Mg-alloy casting processes.

7. Conclusion

Entrainment defects formed in an AZ91 alloy were observed. Their oxide films had two types of structure: single-layered and multi-layered. The multi-layered oxide film can grow together forming a sandwich-like structure in the final casting.2.

Both the experimental results and the theoretical thermodynamic calculations demonstrated that fluorides in the trapped gas were depleted prior to the consumption of sulphur. A three-stage evolution process of the double oxide film defects has been suggested. The oxide films contained different combinations of compounds, depending on the evolution stage. The defects formed in SF6/air had a similar structure to those formed in SF6/CO2, but the compositions of their oxide films were different. The oxide-film formation and evolution process of the entrainment defects were different from that of the Mg-alloy surface films previous reported (i.e., MgO formed prior to MgF2).3.

The growth rate of the oxide film was demonstrated to be greater under SF6/air than SF6/CO2, contributing to a quicker consumption of the damaging entrapped gas. The reproducibility of an AZ91 alloy casting improved when using SF6/air instead of SF6/CO2.

Acknowledgements

The authors acknowledge funding from the EPSRC LiME grant EP/H026177/1, and the help from Dr W.D. Griffiths and Mr. Adrian Carden (University of Birmingham). The casting work was carried out in University of Birmingham.

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원문보기
Figure 2.1: Types of Landslides[2]

Landslide flow path modelling
A Case Study on Aranayaka
Landslide

산사태 유로 모델링 : Aranayaka 산사태 사례 연구

Authors:

Malithi De Silva : University of Kelaniya

N.M.T De Silva
University of Colombo School of Computing
2018

Abstract

산사태가 발생하기 쉬운 구릉 지역 근처에서 발생하는 최근 인구 증가 및 개발은 취약성을 증가시킵니다. 기후 변화의 영향은 산사태 위험의 가능성을 더욱 높입니다. 따라서 인명 및 재산 피해를 방지하기 위해서는 불안정한 경사면 거동에 대한 적절한 관찰과 분석이 중요합니다.

산사태 흐름 경로 예측은 산사태 흐름 경로를 결정하는 데 중요하며 위험 매핑의 필수 요소입니다. 그러나 현상의 복잡한 특성과 관련 매개변수의 불확실성으로 인해 흐름 경로 예측은 어려운 작업입니다. 이 작업에서는 Kegalle 지역의 Aranayaka 지역의 주요 산사태 사고를 흐름 경로를 모델링하기 위한 사례 연구로 사용합니다.

위치에서 디지털 고도 모델을 기반으로 잠재적 소스 영역이 식별되었습니다. 확산 영역 평가는 D8 및 다중 방향 흐름 알고리즘이라는 두 가지 흐름 방향 알고리즘을 기반으로 했습니다. 이 프로토타입 모델을 사용하여 사용자는 슬라이드의 최대 너비, 런아웃 거리 및 슬립 표면적과 같은 산사태 관련 통계를 대화식으로 얻을 수 있습니다.

모델에서 얻은 결과는 실제 Aranayaka 산사태 데이터 세트와 해당 지역의 산사태 위험 지도와 비교되었습니다. D8 알고리즘을 사용하여 구현된 도구에서 생성된 산사태 흐름 경로는 65% 이상의 일치를 나타내고 다중 방향 흐름 알고리즘은 실제 흐름 경로 및 기타 관련 통계와 69% 이상의 일치를 나타냅니다.

또한, 생성된 유동 경로 방향과 예상되는 산사태 시작 지점이 실제 산사태 경계 내부에 잘 일치합니다.

Recent population growth and developments taking place close to landslides prone
hilly areas increase their vulnerability. Climate change impacts further raise the
potential of landslide hazard. Therefore, to prevent loss of lives and damage to
property, proper observation and analysis of unstable slope behavior is crucial.
Landslide flow path forecasting is important for determining a landslide flow route and
it is an essential element in hazard mapping. However, due to the complex nature of
the phenomenon and the uncertainties of associated parameters flow path prediction is
a challenging task.
In this work, the major landslide incident at Aranayaka area in Kegalle district is taken
as the case study to model the flow path. At the location, potential source areas were
identified on the basis of the Digital Elevation Model. Spreading area assessment was
based on two flow directional algorithms namely D8 and Multiple Direction Flow
Algorithm. Using this prototype model, a user can interactively get landslide specific
statistics such as the maximum width of the slide, runout distance, and slip surface area.
Results obtained by the model were compared with the actual Aranayaka landslide data
set the landslide hazard map of the area.
Landslide flow paths generated from the implemented tool using D8 algorithm shows
more than 65% agreement and Multiple Direction Flow Algorithm shows more than
69% agreement with the actual flow paths and other related statistics. Also, the
generated flow path directions and predicted possible landslide initiation points fit
inside the actual landslide boundary with good agreement.

Figure 2.1: Types of Landslides[2]
Figure 2.1: Types of Landslides[2]
Figure 2.2: Landslide Glossary [2]
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Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.

재료 압출 적층 제조에서 증착된 층의 안정성 및 변형

Md Tusher Mollah Raphaël 사령관 Marcin P. Serdeczny David B. Pedersen Jon Spangenberg덴마크 공과 대학 기계 공학과, Kgs. 덴마크 링비

2020년 12월 22일 접수, 2021년 5월 1일 수정, 2021년 7월 15일 수락, 2021년 7월 21일 온라인 사용 가능, 기록 버전 2021년 8월 17일 .

Abstract

이 문서는 재료 압출 적층 제조 에서 여러 레이어를 인쇄하는 동안 증착 흐름의 전산 유체 역학 시뮬레이션 을 제공합니다 . 개발된 모델은 증착된 레이어의 형태를 예측하고 점소성 재료 를 인쇄하는 동안 레이어 변형을 캡처합니다 . 물리학은 일반화된 뉴턴 유체 로 공식화된 Bingham 구성 모델의 연속성 및 운동량 방정식에 의해 제어됩니다. . 증착된 층의 단면 모양이 예측되고 재료의 다양한 구성 매개변수에 대해 층의 변형이 연구됩니다. 층의 변형은 인쇄물의 정수압과 압출시 압출압력으로 인한 것임을 알 수 있다. 시뮬레이션에 따르면 항복 응력이 높을수록 변형이 적은 인쇄물이 생성되는 반면 플라스틱 점도 가 높을수록 증착된 레이어에서변형이 커 집니다 . 또한, 인쇄 속도, 압출 속도 의 영향, 층 높이 및 인쇄된 층의 변형에 대한 노즐 직경을 조사합니다. 마지막으로, 이 모델은 후속 인쇄된 레이어의 정수압 및 압출 압력을 지원하기 위해 증착 후 점소성 재료가 요구하는 항복 응력의 필요한 증가에 대한 보수적인 추정치를 제공합니다.

This paper presents computational fluid dynamics simulations of the deposition flow during printing of multiple layers in material extrusion additive manufacturing. The developed model predicts the morphology of the deposited layers and captures the layer deformations during the printing of viscoplastic materials. The physics is governed by the continuity and momentum equations with the Bingham constitutive model, formulated as a generalized Newtonian fluid. The cross-sectional shapes of the deposited layers are predicted, and the deformation of layers is studied for different constitutive parameters of the material. It is shown that the deformation of layers is due to the hydrostatic pressure of the printed material, as well as the extrusion pressure during the extrusion. The simulations show that a higher yield stress results in prints with less deformations, while a higher plastic viscosity leads to larger deformations in the deposited layers. Moreover, the influence of the printing speed, extrusion speed, layer height, and nozzle diameter on the deformation of the printed layers is investigated. Finally, the model provides a conservative estimate of the required increase in yield stress that a viscoplastic material demands after deposition in order to support the hydrostatic and extrusion pressure of the subsequently printed layers.

Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.
Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.

키워드

점성 플라스틱 재료, 재료 압출 적층 제조(MEX-AM), 다층 증착, 전산유체역학(CFD), 변형 제어
Viscoplastic Materials, Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM), Multiple-Layers Deposition, Computational Fluid Dynamics (CFD), Deformation Control

Introduction

Three-dimensional printing of viscoplastic materials has grown in popularity over the recent years, due to the success of Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM) [1]. Viscoplastic materials, such as ceramic pastes [2,3], hydrogels [4], thermosets [5], and concrete [6], behave like solids when the applied load is below their yield stress, and like a fluid when the applied load exceeds their yield stress [7]. Viscoplastic materials are typically used in MEX-AM techniques such as Robocasting [8], and 3D concrete printing [9,10]. The differences between these technologies lie in the processing of the material before the extrusion and in the printing scale (from microscale to big area additive manufacturing). In these extrusion-based technologies, the structure is fabricated in a layer-by-layer approach onto a solid surface/support [11, 12]. During the process, the material is typically deposited on top of the previously printed layers that may be already solidified (wet-on-dry printing) or still deformable (wet-on-wet printing) [1]. In wet-on-wet printing, control over the deformation of layers is important for the stability and geometrical accuracy of the prints. If the material is too liquid after the deposition, it cannot support the pressure of the subsequently deposited layers. On the other hand, the material flowability is a necessity during extrusion through the nozzle. Several experimental studies have been performed to analyze the physics of the extrusion and deposition of viscoplastic materials, as reviewed in Refs. [13–16]. The experimental measurements can be supplemented with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations to gain a more complete picture of MEX-AM. A review of the CFD studies within the material processing and deposition in 3D concrete printing was presented by Roussel et al. [17]. Wolfs et al. [18] predicted numerically the failure-deformation of a cylindrical structure due to the self-weight by calculating the stiffness and strength of the individual layers. It was found that the deformations can take place in all layers, however the most critical deformation occurs in the bottom layer. Comminal et al. [19,20] presented three-dimensional simulations of the material deposition in MEX-AM, where the fluid was approximated as Newtonian. Subsequently, the model was experimentally validated in Ref. [21] for polymer-based MEX-AM, and extended to simulate the deposition of multiple layers in Ref. [22], where the previously printed material was assumed solid. Xia et al. [23] simulated the influence of the viscoelastic effects on the shape of deposited layers in MEX-AM. A numerical model for simulating the deposition of a viscoplastic material was recently presented and experimentally validated in Refs. [24] and [25]. These studies focused on predicting the cross-sectional shape of a single printed layer for different processing conditions (relative printing speed, and layer height). Despite these research efforts, a limited number of studies have focused on investigating the material deformations in wet-on-wet printing when multiple layers are deposited on top of each other. This paper presents CFD simulations of the extrusion-deposition flow of a viscoplastic material for several subsequent layers (viz. three- and five-layers). The material is continuously printed one layer over another on a fixed solid surface. The rheology of the viscoplastic material is approximated by the Bingham constitutive equation that is formulated using the Generalized Newtonian Fluid (GNF) model. The CFD model is used to predict the cross-sectional shapes of the layers and their deformations while printing the next layers on top. Moreover, the simulations are used to quantify the extrusion pressure applied by the deposited material on the substrate, and the previously printed layers. Numerically, it is investigated how the process parameters (i.e., the extrusion speed, printing speed, nozzle diameter, and layer height) and the material rheology affect the deformations of the deposited layers. Section 2 describes the methodology of the study. Section 3 presents and discusses the results. The study is summarized and concluded in Section 4.

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Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

반고체 레오 다이 캐스팅 공정으로 제작된 알루미늄 합금 브래킷의 수치 시뮬레이션 및 생산 실험 검증을 기반으로 한 게이팅 시스템 설계

International Journal of Metalcasting volume 16, pages878–893 (2022)Cite this article

Abstract

In this study a gating system including sprue, runner and overflows for semi-solid rheocasting of aluminum alloy was designed by means of numerical simulations with a commercial software. The effects of pouring temperature, mold temperature and injection speed on the filling process performance of semi-solid die casting were studied. Based on orthogonal test analysis, the optimal die casting process parameters were selected, which were metal pouring temperature 590 °C, mold temperature 260 °C and injection velocity 0.5 m/s. Semi-solid slurry preparation process of Swirled Enthalpy Equilibration Device (SEED) was used for die casting production experiment. Aluminum alloy semi-solid bracket components were successfully produced with the key die casting process parameters selected, which was consistent with the simulation result. The design of semi-solid gating system was further verified by observing and analyzing the microstructure of different zones of the casting. The characteristic parameters, particle size and shape factor of microstructure of the produced semi-solid casting showed that the semi-solid aluminum alloy components are of good quality.

이 연구에서 알루미늄 합금의 반고체 레오캐스팅을 위한 스프루, 러너 및 오버플로를 포함하는 게이팅 시스템은 상용 소프트웨어를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 설계되었습니다. 주입 온도, 금형 온도 및 사출 속도가 반고체 다이캐스팅의 충전 공정 성능에 미치는 영향을 연구했습니다. 직교 테스트 분석을 기반으로 금속 주입 온도 590°C, 금형 온도 260°C 및 사출 속도 0.5m/s인 최적의 다이 캐스팅 공정 매개변수가 선택되었습니다. Swirled Enthalpy Equilibration Device(SEED)의 반고체 슬러리 제조 공정을 다이캐스팅 생산 실험에 사용하였다. 알루미늄 합금 반고체 브래킷 구성 요소는 시뮬레이션 결과와 일치하는 주요 다이 캐스팅 공정 매개변수를 선택하여 성공적으로 생산되었습니다. 반고체 게이팅 시스템의 설계는 주조의 다른 영역의 미세 구조를 관찰하고 분석하여 추가로 검증되었습니다. 생산된 반고체 주조물의 특성 매개변수, 입자 크기 및 미세 구조의 형상 계수는 반고체 알루미늄 합금 부품의 품질이 양호함을 보여주었습니다.

Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process
Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

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Keywords

  • semi-solid rheo-die casting
  • gating system
  • process parameters
  • numerical simulation
  • microstructure
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Fig. 1. Modified Timelli mold design.

Characterization of properties of Vanadium, Boron and Strontium addition on HPDC of A360 alloy

A360 합금의 HPDC에 대한 바나듐, 붕소 및 스트론튬 첨가 특성 특성

OzenGursoya
MuratColakb
KazimTurc
DeryaDispinarde

aUniversity of Padova, Department of Management and Engineering, Vicenza, Italy
bUniversity of Bayburt, Mechanical Engineering, Bayburt, Turkey
cAtilim University, Metallurgical and Materials Engineering, Ankara, Turkey
dIstanbul Technical University, Metallurgical and Materials Engineering, Istanbul, Turkey
eCenter for Critical and Functional Materials, ITU, Istanbul, Turkey

ABSTRACT

The demand for lighter weight decreased thickness and higher strength has become the focal point in the
automotive industry. In order to meet such requirements, the addition of several alloying elements has been started to be investigated. In this work, the additions of V, B, and Sr on feedability and tensile properties of A360 has been studied. A mold design that consisted of test bars has been produced. Initially, a simulation was carried out to optimize the runners, filling, and solidification parameters. Following the tests, it was found that V addition revealed the highest UTS but low elongation at fracture, while B addition exhibited visa verse. On the other hand, impact energy was higher with B additions.

더 가벼운 무게의 감소된 두께와 더 높은 강도에 대한 요구는 자동차 산업의 초점이 되었습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 여러 합금 원소의 추가가 조사되기 시작했습니다. 이 연구에서는 A360의 이송성 및 인장 특성에 대한 V, B 및 Sr의 첨가가 연구되었습니다. 시험봉으로 구성된 금형 설계가 제작되었습니다. 처음에는 러너, 충전 및 응고 매개변수를 최적화하기 위해 시뮬레이션이 수행되었습니다. 시험 결과, V 첨가는 UTS가 가장 높지만 파단 연신율은 낮았고, B 첨가는 visa verse를 나타냈다. 반면에 충격 에너지는 B 첨가에서 더 높았다.

Fig. 1. Modified Timelli mold design.
Fig. 1. Modified Timelli mold design.
Fig. 2. Microstructural images (a) unmodified alloy, (b) Sr modified, (c) V added, (d) B added.
Fig. 2. Microstructural images (a) unmodified alloy, (b) Sr modified, (c) V added, (d) B added.
Fig. 3. Effect of Sr and V addition on the tensile properties of A360
Fig. 3. Effect of Sr and V addition on the tensile properties of A360
Fig. 4. Effect of Sr and B addition on the tensile properties of A360.
Fig. 4. Effect of Sr and B addition on the tensile properties of A360.
Fig. 5. Bubbles chart of tensile properties values obtained from Weibull statistics. | Fig. 6. Effect of Sr, V and B addition on the impact properties of A360.
Fig. 5. Bubbles chart of tensile properties values obtained from Weibull statistics.
Fig. 6. Effect of Sr, V and B addition on the impact properties of A360.
Fig. 7. SEM images on the fracture surfaces (a) V added, (b) B added.
Fig. 7. SEM images on the fracture surfaces (a) V added, (b) B added.

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Fig. 5. The predicted shapes of initial breach (a) Rectangular (b) V-notch. Fig. 6. Dam breaching stages.

Investigating the peak outflow through a spatial embankment dam breach

공간적 제방댐 붕괴를 통한 최대 유출량 조사

Mahmoud T.GhonimMagdy H.MowafyMohamed N.SalemAshrafJatwaryFaculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt

Abstract

Investigating the breach outflow hydrograph is an essential task to conduct mitigation plans and flood warnings. In the present study, the spatial dam breach is simulated by using a three-dimensional computational fluid dynamics model, FLOW-3D. The model parameters were adjusted by making a comparison with a previous experimental model. The different parameters (initial breach shape, dimensions, location, and dam slopes) are studied to investigate their effects on dam breaching. The results indicate that these parameters have a significant impact. The maximum erosion rate and peak outflow for the rectangular shape are higher than those for the V-notch by 8.85% and 5%, respectively. Increasing breach width or decreasing depth by 5% leads to increasing maximum erosion rate by 11% and 15%, respectively. Increasing the downstream slope angle by 4° leads to an increase in both peak outflow and maximum erosion rate by 2.0% and 6.0%, respectively.

유출 유출 수문곡선을 조사하는 것은 완화 계획 및 홍수 경보를 수행하는 데 필수적인 작업입니다. 본 연구에서는 3차원 전산유체역학 모델인 FLOW-3D를 사용하여 공간 댐 붕괴를 시뮬레이션합니다. 이전 실험 모델과 비교하여 모델 매개변수를 조정했습니다.

다양한 매개변수(초기 붕괴 형태, 치수, 위치 및 댐 경사)가 댐 붕괴에 미치는 영향을 조사하기 위해 연구됩니다. 결과는 이러한 매개변수가 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 직사각형 형태의 최대 침식율과 최대 유출량은 V-notch보다 각각 8.85%, 5% 높게 나타났습니다.

위반 폭을 늘리거나 깊이를 5% 줄이면 최대 침식률이 각각 11% 및 15% 증가합니다. 하류 경사각을 4° 증가시키면 최대 유출량과 최대 침식률이 각각 2.0% 및 6.0% 증가합니다.

Keywords

Spatial dam breach; FLOW-3D; Overtopping erosion; Computational fluid dynamics (CFD)

1. Introduction

There are many purposes for dam construction, such as protection from flood disasters, water storage, and power generation. Embankment failures may have a catastrophic impact on lives and infrastructure in the downstream regions. One of the most common causes of embankment dam failure is overtopping. Once the overtopping of the dam begins, the breach formation will start in the dam body then end with the dam failure. This failure occurs within a very short time, which threatens to be very dangerous. Therefore, understanding and modeling the embankment breaching processes is essential for conducting mitigation plans, flood warnings, and forecasting flood damage.

The analysis of the dam breaching process is implemented by different techniques: comparative methods, empirical models with dimensional and dimensionless solutions, physical-based models, and parametric models. These models were described in detail [1]. Parametric modeling is commonly used to simulate breach growth as a time-dependent linear process and calculate outflow discharge from the breach using hydraulics principles [2]. Alhasan et al. [3] presented a simple one-dimensional mathematical model and a computer code to simulate the dam breaching process. These models were validated by small dams breaching during the floods in 2002 in the Czech Republic. Fread [4] developed an erosion model (BREACH) based on hydraulics principles, sediment transport, and soil mechanics to estimate breach size, time of formation, and outflow discharge. Říha et al. [5] investigated the dam break process for a cascade of small dams using a simple parametric model for piping and overtopping erosion, as well as a 2D shallow-water flow model for the flood in downstream areas. Goodarzi et al. [6] implemented mathematical and statistical methods to assess the effect of inflows and wind speeds on the dam’s overtopping failure.

Dam breaching studies can be divided into two main modes of erosion. The first mode is called “planar dam breach” where the flow overtops the whole dam width. While the second mode is called “spatial dam breach” where the flow overtops through the initial pilot channel (i.e., a channel created in the dam body). Therefore, the erosion will be in both vertical and horizontal directions [7].

The erosion process through the embankment dams occurs due to the shear stress applied by water flows. The dam breaching evolution can be divided into three stages [8], [9], but Y. Yang et al. [10] divided the breach development into five stages: Stage I, the seepage erosion; Stage II, the initial breach formation; Stage III, the head erosion; Stage IV, the breach expansion; and Stage V, the re-equilibrium of the river channel through the breach. Many experimental tests have been carried out on non-cohesive embankment dams with an initial breach to examine the effect of upstream inflow discharges on the longitudinal profile evolution and the time to inflection point [11].

Zhang et al. [12] studied the effect of changing downstream slope angle, sediment grain size, and dam crest length on erosion rates. They noticed that increasing dam crest length and decreasing downstream slope angle lead to decreasing sediment transport rate. While the increase in sediment grain size leads to an increased sediment transport rate at the initial stages. Höeg et al. [13] presented a series of field tests to investigate the stability of embankment dams made of various materials. Overtopping and piping were among the failure tests carried out for the dams composed of homogeneous rock-fill, clay, or gravel with a height of up to 6.0 m. Hakimzadeh et al. [14] constructed 40 homogeneous cohesive and non-cohesive embankment dams to study the effect of changing sediment diameter and dam height on the breaching process. They also used genetic programming (GP) to estimate the breach outflow. Refaiy et al. [15] studied different scenarios for the downstream drain geometry, such as length, height, and angle, to minimize the effect of piping phenomena and therefore increase dam safety.

Zhu et al. [16] examined the effect of headcut erosion on dam breach growth, especially in the case of cohesive dams. They found that the breach growth in non-cohesive embankments is slower than cohesive embankments due to the little effect of headcut. Schmocker and Hager [7] proposed a relationship for estimating peak outflow from the dam breach process.(1)QpQin-1=1.7exp-20hc23d5013H0

where: Qp = peak outflow discharge.

Qin = inflow discharge.

hc = critical flow depth.

d50 = mean sediment diameter.

Ho = initial dam height.

Yu et al. [17] carried out an experimental study for homogeneous non-cohesive embankment dams in a 180° bending rectangular flume to determine the effect of overtopping flows on breaching formation. They found that the main factors influencing breach formation are water level, river discharge, and embankment material diameter.

Wu et al. [18] carried out a series of experiments to investigate the effect of breaching geometry on both non-cohesive and cohesive embankment dams in a U-bend flume due to overtopping flows. In the case of non-cohesive embankments, the non-symmetrical lateral expansion was noticed during the breach formation. This expansion was described by a coefficient ranging from 2.7 to 3.3.

The numerical models of the dam breach can be categorized according to different parameters, such as flow dimensions (1D, 2D, or 3D), flow governing equations, and solution methods. The 1D models are mainly used to predict the outflow hydrograph from the dam breach. Saberi et al. [19] applied the 1D Saint-Venant equation, which is solved by the finite difference method to investigate the outflow hydrograph during dam overtopping failure. Because of the ability to study dam profile evolution and breach formation, 2D models are more applicable than 1D models. Guan et al. [20] and Wu et al. [21] employed both 2D shallow water equations (SWEs) and sediment erosion equations, which are solved by the finite volume method to study the effect of the dam’s geometry parameters on outflow hydrograph and dam profile evolution. Wang et al. [22] also proposed a second-order hybrid-type of total variation diminishing (TVD) finite-difference to estimate the breach outflow by solving the 2D (SWEs). The accuracy of (SWEs) for both vertical flow contraction and surface roughness has been assessed [23]. They noted that the accuracy of (SWEs) is acceptable for milder slopes, but in the case of steeper slopes, modelers should be more careful. Generally, the accuracy of 2D models is still low, especially with velocity distribution over the flow depth, lateral momentum exchange, density-driven flows, and bottom friction [24]. Therefore, 3D models are preferred. Larocque et al. [25] and Yang et al. [26] started to use three-dimensional (3D) models that depend on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations.

Previous experimental studies concluded that there is no clear relationship between the peak outflow from the dam breach and the initial breach characteristics. Some of these studies depend on the sharp-crested weir fixed at the end of the flume to determine the peak outflow from the breach, which leads to a decrease in the accuracy of outflow calculations at the microscale. The main goals of this study are to carry out a numerical simulation for a spatial dam breach due to overtopping flows by using (FLOW-3D) software to find an empirical equation for the peak outflow discharge from the breach and determine the worst-case that leads to accelerating the dam breaching process.

2. Numerical simulation

The current study for spatial dam breach is simulated by using (FLOW-3D) software [27], which is a powerful computational fluid dynamics (CFD) program.

2.1. Geometric presentations

A stereolithographic (STL) file is prepared for each change in the initial breach geometry and dimensions. The CAD program is useful for creating solid objects and converting them to STL format, as shown in Fig. 1.

2.2. Governing equations

The governing equations for water flow are three-dimensional Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS).

The continuity equation:(2)∂ui∂xi=0

The momentum equation:(3)∂ui∂t+1VFuj∂ui∂xj=1ρ∂∂xj-pδij+ν∂ui∂xj+∂uj∂xi-ρu`iu`j¯

where u is time-averaged velocity,ν is kinematic viscosity, VF is fractional volume open to flow, p is averaged pressure and -u`iu`j¯ are components of Reynold’s stress. The Volume of Fluid (VOF) technique is used to simulate the free surface profile. Hirt et al. [28] presented the VOF algorithm, which employs the function (F) to express the occupancy of each grid cell with fluid. The value of (F) varies from zero to unity. Zero value refers to no fluid in the grid cell, while the unity value refers to the grid cell being fully occupied with fluid. The free surface is formed in the grid cells having (F) values between zero and unity.(4)∂F∂t+1VF∂∂xFAxu+∂∂yFAyv+∂∂zFAzw=0

where (u, v, w) are the velocity components in (x, y, z) coordinates, respectively, and (Ax, Ay, Az) are the area fractions.

2.3. Boundary and initial conditions

To improve the accuracy of the results, the boundary conditions should be carefully determined. In this study, two mesh blocks are used to minimize the time consumed in the simulation. The boundary conditions for mesh block 1 are as follows: The inlet and sides boundaries are defined as a wall boundary condition (wall boundary condition is usually used for bound fluid by solid regions. In the case of viscous flows, no-slip means that the tangential velocity is equal to the wall velocity and the normal velocity is zero), the outlet is defined as a symmetry boundary condition (symmetry boundary condition is usually used to reduce computational effort during CFD simulation. This condition allows the flow to be transferred from one mesh block to another. No inputs are required for this boundary condition except that its location should be defined accurately), the bottom boundary is defined as a uniform flow rate boundary condition, and the top boundary is defined as a specific pressure boundary condition with assigned atmospheric pressure. The boundary conditions for mesh block 2 are as follows: The inlet is defined as a symmetry boundary condition, the outlet is defined as a free flow boundary condition, the bottom and sides boundaries are defined as a wall boundary condition, and the top boundary is defined as a specific pressure boundary condition with assigned atmospheric pressure as shown in Fig. 2. The initial conditions required to be set for the fluid (i.e., water) inside of the domain include configuration, temperature, velocities, and pressure distribution. The configuration of water depends on the dimensions and shape of the dam reservoir. While the other conditions have been assigned as follows: temperature is normal water temperature (25 °c) and pressure distribution is hydrostatic with no initial velocity.

2.4. Numerical method

FLOW-3D uses the finite volume method (FVM) to solve the governing equation (Reynolds-averaged Navier-Stokes) over the computational domain. A finite-volume method is an Eulerian approach for representing and evaluating partial differential equations in algebraic equations form [29]. At discrete points on the mesh geometry, values are determined. Finite volume expresses a small volume surrounding each node point on a mesh. In this method, the divergence theorem is used to convert volume integrals with a divergence term to surface integrals. After that, these terms are evaluated as fluxes at each finite volume’s surfaces.

2.5. Turbulent models

Turbulence is the chaotic, unstable motion of fluids that occurs when there are insufficient stabilizing viscous forces. In FLOW-3D, there are six turbulence models available: the Prandtl mixing length model, the one-equation turbulent energy model, the two-equation (k – ε) model, the Renormalization-Group (RNG) model, the two-equation (k – ω) models, and a large eddy simulation (LES) model. For simulating flow motion, the RNG model is adopted to simulate the motion behavior better than the k – ε and k – ω.

models [30]. The RNG model consists of two main equations for the turbulent kinetic energy KT and its dissipation.εT(5)∂kT∂t+1VFuAx∂kT∂x+vAy∂kT∂y+wAz∂kT∂z=PT+GT+DiffKT-εT(6)∂εT∂t+1VFuAx∂εT∂x+vAy∂εT∂y+wAz∂εT∂z=C1.εTKTPT+c3.GT+Diffε-c2εT2kT

where KT is the turbulent kinetic energy, PT is the turbulent kinetic energy production, GT is the buoyancy turbulence energy, εT is the turbulent energy dissipation rate, DiffKT and Diffε are terms of diffusion, c1, c2 and c3 are dimensionless parameters, in which c1 and c3 have a constant value of 1.42 and 0.2, respectively, c2 is computed from the turbulent kinetic energy (KT) and turbulent production (PT) terms.

2.6. Sediment scour model

The sediment scour model available in FLOW-3D can calculate all the sediment transport processes including Entrainment transport, Bedload transport, Suspended transport, and Deposition. The erosion process starts once the water flows remove the grains from the packed bed and carry them into suspension. It happens when the applied shear stress by water flows exceeds critical shear stress. This process is represented by entrainment transport in the numerical model. After entrained, the grains carried by water flow are represented by suspended load transport. After that, some suspended grains resort to settling because of the combined effect of gravity, buoyancy, and friction. This process is described through a deposition. Finally, the grains sliding motions are represented by bedload transport in the model. For the entrainment process, the shear stress applied by the fluid motion on the packed bed surface is calculated using the standard wall function as shown in Eq.7.(7)ks,i=Cs,i∗d50

where ks,i is the Nikuradse roughness and Cs,i is a user-defined coefficient. The critical bed shear stress is defined by a dimensionless parameter called the critical shields number as expressed in Eq.8.(8)θcr,i=τcr,i‖g‖diρi-ρf

where θcr,i is the critical shields number, τcr,i is the critical bed shear stress, g is the absolute value of gravity acceleration, di is the diameter of the sediment grain, ρi is the density of the sediment species (i) and ρf is the density of the fluid. The value of the critical shields number is determined according to the Soulsby-Whitehouse equation.(9)θcr,i=0.31+1.2d∗,i+0.0551-exp-0.02d∗,i

where d∗,i is the dimensionless diameter of the sediment, given by Eq.10.(10)d∗,i=diρfρi-ρf‖g‖μf213

where μf is the fluid dynamic viscosity. For the sloping bed interface, the value of the critical shields number is modified according to Eq.11.(11)θ`cr,i=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2φi-sin2ψsin2βtanφi

where θ`cr,i is the modified critical shields number, φi is the angle of repose for the sediment, β is the angle of bed slope and ψ is the angle between the flow and the upslope direction. The effects of the rolling, hopping, and sliding motions of grains along the packed bed surface are taken by the bedload transport process. The volumetric bedload transport rate (qb,i) per width of the bed is expressed in Eq.12.(12)qb,i=Φi‖g‖ρi-ρfρfdi312

where Φi is the dimensionless bedload transport rate is calculated by using Meyer Peter and Müller equation.(13)Φi=βMPM,iθi-θ`cr,i1.5cb,i

where βMPM,i is the Meyer Peter and Müller user-defined coefficient and cb,i is the volume fraction of species i in the bed material. The suspended load transport is calculated as shown in Eq.14.(14)∂Cs,i∂t+∇∙Cs,ius,i=∇∙∇DCs,i

where Cs,i is the suspended sediment mass concentration, D is the diffusivity, and us,i is the grain velocity of species i. Entrainment and deposition are two opposing processes that take place at the same time. The lifting and settling velocities for both entrainment and deposition processes are calculated according to Eq.15 and Eq.16, respectively.(15)ulifting,i=αid∗,i0.3θi-θ`cr,igdiρiρf-1(16)usettling,i=υfdi10.362+1.049d∗,i3-10.36

where αi is the entrainment coefficient of species i and υf is the kinematic viscosity of the fluid.

2.7. Grid type

Using simple rectangular orthogonal elements in planes and hexahedral in volumes in the (FLOW-3D) program makes the mesh generation process easier, decreases the required memory, and improves numerical accuracy. Two mesh blocks were used in a joined form with a size ratio of 2:1. The first mesh block is coarser, which contains the reservoir water, and the second mesh block is finer, which contains the dam. For achieving accuracy and efficiency in results, the mesh size is determined by using a grid convergence test. The optimum uniform cell size for the first mesh block is 0.012 m and for the second mesh block is 0.006 m.

2.8. Time step

The maximum time step size is determined by using a Courant number, which controls the distance that the flow will travel during the simulation time step. In this study, the Courant number was taken equal to 0.25 to prevent the flow from traveling through more than one cell in the time step. Based on the Courant number, a maximum time step value of 0.00075 s was determined.

2.9. Numerical model validation

The numerical model accuracy was achieved by comparing the numerical model results with previous experimental results. The experimental study of Schmocker and Hager [7] was based on 31 tests with changes in six parameters (d50, Ho, Bo, Lk, XD, and Qin). All experimental tests were conducted in a straight open glass-sided flume. The horizontal flume has a rectangular cross-section with a width of 0.4 m and a height of 0.7 m. The flume was provided with a flow straightener and an intake with a length of 0.66 m. All tested dams were inserted at various distances (XD) from the intake. Test No.1 from this experimental program was chosen to validate the numerical model. The different parameters used in test No.1 are as follows:

(1) uniform sediment with a mean diameter (d50 = 0.31 mm), (2) Ho = 0.2 m, (3) Bo = 0.2 m, (4) Lk = 0.1 m,

(5) XD = 1.0 m, (6) Qin = 6.0 lit/s, (7) Su and Sd = 2:1, (8) mass density (ρs = 2650 kg/m3) (9) Homogenous and non-cohesive embankment dam. As shown in Fig. 2, the simulation is contained within a rectangular grid with dimensions: 3.56 m in the x-direction (where 0.66 m is used as inlet, 0.9 m as dam base width, and 1.0 m as outlet), in y-direction 0.2 m (dam length), and in the z-direction 0.3 m, which represents the dam height (0.2 m) with a free distance (0.1 m) above the dam. There are two main reasons that this experimental program is preferred for the validation process. The first reason is that this program deals with homogenous, non-cohesive soil, which is available in FLOW-3D. The second reason is that this program deals with small-scale models which saves time for numerical simulation. Finally, some important assumptions were considered during the validation process. The flow is assumed to be incompressible, viscous, turbulent, and three-dimensional.

By comparing dam profiles at different time instants for the experimental test with the current numerical model, it appears that the numerical model gives good agreement as shown in Fig. 3 and Fig. 4, with an average error percentage of 9% between the experimental results and the numerical model.

3. Analysis and discussions

The current model is used to study the effects of different parameters such as (initial breach shapes, dimensions, locations, upstream and downstream dam slopes) on the peak outflow discharge, QP, time of peak outflow, tP, and rate of erosion, E.

This study consists of a group of scenarios. The first scenario is changing the shapes of the initial breach according to Singh [1], the most predicted shapes are rectangular and V-notch as shown in Fig. 5. The second scenario is changing the initial breach dimensions (i.e., width and depth). While the third scenario is changing the location of the initial breach. Eventually, the last scenario is changing the upstream and downstream dam slopes.

All scenarios of this study were carried out under the same conditions such as inflow discharge value (Qin=1.0lit/s), dimensions of the tested dam, where dam height (Ho=0.20m), crest width.

(Lk=0.1m), dam length (Bo=0.20m), and homogenous & non-cohesive soil with a mean diameter (d50=0.31mm).

3.1. Dam breaching process evolution

The dam breaching process is a very complex process due to the quick changes in hydrodynamic conditions during dam failure. The dam breaching process starts once water flows reach the downstream face of the dam. During the initial stage of dam breaching, the erosion process is relatively quiet due to low velocities of flow. As water flows continuously, erosion rates increase, especially in two main zones: the crest and the downstream face. As soon as the dam crest is totally eroded, the water levels in the dam reservoir decrease rapidly, accompanied by excessive erosion in the dam body. The erosion process continues until the water levels in the dam reservoir equal the remaining height of the dam.

According to Zhou et al. [11], the breaching process consists of three main stages. The first stage starts with beginning overtopping flow, then ends when the erosion point directed upstream and reached the inflection point at the inflection time (ti). The second stage starts from the end of the stage1 until the occurrence of peak outflow discharge at the peak outflow time (tP). The third stage starts from the end of the stage2 until the value of outflow discharge becomes the same as the value of inflow discharge at the final time (tf). The outflow discharge from the dam breach increases rapidly during stage1 and stage2 because of the large dam storage capacity (i.e., the dam reservoir is totally full of water) and excessive erosion. While at stage3, the outflow values start to decrease slowly because most of the dam’s storage capacity was run out. The end of stage3 indicates that the dam storage capacity was totally run out, so the outflow equalized with the inflow discharge as shown in Fig. 6 and Fig. 7.

3.2. The effect of initial breach shape

To identify the effect of the initial breach shape on the evolution of the dam breaching process. Three tests were carried out with different cross-section areas for each shape. The initial breach is created at the center of the dam crest. Each test had an ID to make the process of arranging data easier. The rectangular shape had an ID (Rec5h & 5b), which means that its depth and width are equal to 5% of the dam height, and the V-notch shape had an ID (V-noch5h & 1:1) which means that its depth is equal to 5% of the dam height and its side slope is equal to 1:1. The comparison between rectangular and V-notch shapes is done by calculating the ratio between maximum dam height at different times (ZMax) to the initial dam height (Ho), rate of erosion, and hydrograph of outflow discharge for each test. The rectangular shape achieves maximum erosion rate and minimum inflection time, in addition to a rapid decrease in the dam reservoir levels. Therefore, the dam breaching is faster in the case of a rectangular shape than in a V-notch shape, which has the same cross-section area as shown in Fig. 8.

Also, by comparing the hydrograph for each test, the peak outflow discharge value in the case of a rectangular shape is higher than the V-notch shape by 5% and the time of peak outflow for the rectangular shape is shorter than the V-notch shape by 9% as shown in Fig. 9.

3.3. The effect of initial breach dimensions

The results of the comparison between the different initial breach shapes indicate that the worst initial breach shape is rectangular, so the second scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the initial rectangular breach dimensions. Groups of tests were carried out with different depths and widths for the rectangular initial breach. The first group had a depth of 5% from the dam height and with three different widths of 5,10, and 15% from the dam height, the second group had a depth of 10% with three different widths of 5,10, and 15%, the third group had a depth of 15% with three different widths of 5,10, and 15% and the final group had a width of 15% with three different heights of 5, 10, and 15% for a rectangular breach shape. The comparison was made as in the previous section to determine the worst case that leads to the quick dam failure as shown in Fig. 10.

The results show that the (Rec 5 h&15b) test achieves a maximum erosion rate for a shorter period of time and a minimum ratio for (Zmax / Ho) as shown in Fig. 10, which leads to accelerating the dam failure process. The dam breaching process is faster with the minimum initial breach depth and maximum initial breach width. In the case of a minimum initial breach depth, the retained head of water in the dam reservoir is high and the crest width at the bottom of the initial breach (L`K) is small, so the erosion point reaches the inflection point rapidly. While in the case of the maximum initial breach width, the erosion perimeter is large.

3.4. The effect of initial breach location

The results of the comparison between the different initial rectangular breach dimensions indicate that the worst initial breach dimension is (Rec 5 h&15b), so the third scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the initial breach location. Three locations were checked to determine the worst case for the dam failure process. The first location is at the center of the dam crest, which was named “Center”, the second location is at mid-distance between the dam center and dam edge, which was named “Mid”, and the third location is at the dam edge, which was named “Edge” as shown in Fig. 11. According to this scenario, the results indicate that the time of peak outflow discharge (tP) is the same in the three cases, but the maximum value of the peak outflow discharge occurs at the center location. The difference in the peak outflow values between the three cases is relatively small as shown in Fig. 12.

The rates of erosion were also studied for the three cases. The results show that the maximum erosion rate occurs at the center location as shown in Fig. 13. By making a comparison between the three cases for the dam storage volume. The results show that the center location had the minimum values for the dam storage volume, which means that a large amount of water has passed to the downstream area as shown in Fig. 14. According to these results, the center location leads to increased erosion rate and accelerated dam failure process compared with the two other cases. Because the erosion occurs on both sides, but in the case of edge location, the erosion occurs on one side.

3.5. The effect of upstream and downstream dam slopes

The results of the comparison between the different initial rectangular breach locations indicate that the worst initial breach location is the center location, so the fourth scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the upstream (Su) and downstream (Sd) dam slopes. Three slopes were checked individually for both upstream and downstream slopes to determine the worst case for the dam failure process. The first slope value is (2H:1V), the second slope value is (2.5H:1V), and the third slope value is (3H:1V). According to this scenario, the results show that the decreasing downstream slope angle leads to increasing time of peak outflow discharge (tP) and decreasing value of peak outflow discharge. The difference in the peak outflow values between the three cases for the downstream slope is 2%, as shown in Fig. 15, but changing the upstream slope has a negligible impact on the peak outflow discharge and its time as shown in Fig. 16.

The rates of erosion were also studied in the three cases for both upstream and downstream slopes. The results show that the maximum erosion rate increases by 6.0% with an increasing downstream slope angle by 4°, as shown in Fig. 17. The results also indicate that the erosion rates aren’t affected by increasing or decreasing the upstream slope angle, as shown in Fig. 18. According to these results, increasing the downstream slope angle leads to increased erosion rate and accelerated dam failure process compared with the upstream slope angle. Because of increasing shear stress applied by water flows in case of increasing downstream slope.

According to all previous scenarios, the dimensionless peak outflow discharge QPQin is presented for a fixed dam height (Ho) and inflow discharge (Qin). Fig. 19 illustrates the relationship between QP∗=QPQin and.

Lr=ho2/3∗bo2/3Ho. The deduced relationship achieves R2=0.96.(17)QP∗=2.2807exp-2.804∗Lr

4. Conclusions

A spatial dam breaching process was simulated by using FLOW-3D Software. The validation process was performed by making a comparison between the simulated results of dam profiles and the dam profiles obtained by Schmocker and Hager [7] in their experimental study. And also, the peak outflow value recorded an error percentage of 12% between the numerical model and the experimental study. This model was used to study the effect of initial breach shape, dimensions, location, and dam slopes on peak outflow discharge, time of peak outflow, and the erosion process. By using the parameters obtained from the validation process, the results of this study can be summarized in eight points as follows.1.

The rectangular initial breach shape leads to an accelerating dam failure process compared with the V-notch.2.

The value of peak outflow discharge in the case of a rectangular initial breach is higher than the V-notch shape by 5%.3.

The time of peak outflow discharge for a rectangular initial breach is shorter than the V-notch shape by 9%.4.

The minimum depth and maximum width for the initial breach achieve maximum erosion rates (increasing breach width, b0, or decreasing breach depth, h0, by 5% from the dam height leads to an increase in the maximum rate of erosion by 11% and 15%, respectively), so the dam failure is rapid.5.

The center location of the initial breach leads to an accelerating dam failure compared with the edge location.6.

The initial breach location has a negligible effect on the peak outflow discharge value and its time.7.

Increasing the downstream slope angle by 4° leads to an increase in both peak outflow discharge and maximum rate of erosion by 2.0% and 6.0%, respectively.8.

The upstream slope has a negligible effect on the dam breaching process.

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Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.

Simulation and Visual Tester Verification of Solid Propellant Slurry Vacuum Plate Casting

Wu Yue,Li Zhuo,Lu RongFirst published: 26 February 2020 https://doi.org/10.1002/prep.201900411Citations: 3

Abstract

Using an improved Carreau constitutive model, a numerical simulation of the casting process of a type of solid propellant slurry vacuum plate casting was carried out using the Flow3D software. Through the flow process in the orifice flow channel and the combustion chamber, the flow velocity of the slurry passing through the plate flow channel was quantitatively analyzed, and the viscosity, shear rate, and leveling characteristics of the slurry in the combustion chamber were qualitatively analyzed and predicted. The pouring time, pouring quality, and flow state predicted by the numerical simulation were verified using a visual tester consisting of a vacuum plate casting system in which a pouring experiment was carried out. Studies have shown that HTPB three-component propellant slurry is a typical yielding pseudoplastic fluid. When the slurry flows through the flower plate and the airfoil, the fluid shear rate reaches its maximum value and the viscosity of the slurry decreases. The visual pouring platform was built and the experiment was controlled according to the numerically-calculated parameters, ensuring the same casting speed. The comparison between the predicted casting quality and the one obtained in the verification test resulted in an error less than 10 %. Moreover, the error between the simulated casting completion time and the process verification test result was also no more than 10 %. Last, the flow state of the slurry during the simulation was consistent with the one during the experimental test. The overall leveling of the slurry in the combustion chamber was adequate and no relatively large holes and flaws developed during the pouring process.

개선된 Carreau 구성 모델을 사용하여 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 고체 추진제 슬러리 진공판 유형의 Casting Process에 대한 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 오리피스 유로와 연소실에서의 유동과정을 통해 판 유로를 통과하는 슬러리의 유속을 정량적으로 분석하고, 연소실에서 슬러리의 점도, 전단율, 레벨링 특성을 정성적으로 분석하하고, 예측하였습니다.

타설시간, 타설품질, 수치해석으로 예측된 ​​유동상태는 타설실험을 수행한 진공판주조시스템으로 구성된 비주얼 테스터를 이용하여 검증하였습니다.

연구에 따르면 HTPB 3성분 추진제 슬러리는 전형적인 생성 가소성 유체입니다. 슬러리가 플라워 플레이트와 에어포일을 통과할 때 유체 전단율이 최대값에 도달하고 슬러리의 점도가 감소합니다.

시각적 주입 플랫폼이 구축되었고 동일한 주조 속도를 보장하기 위해 수치적으로 계산된 매개변수에 따라 실험이 제어되었습니다. 예측된 casting 품질과 검증 테스트에서 얻은 품질을 비교한 결과 10 % 미만의 오류가 발생했습니다.

또한 모의 casting 완료시간과 공정검증시험 결과의 오차도 10 % 이하로 나타났습니다.

마지막으로 시뮬레이션 중 슬러리의 흐름 상태는 실험 테스트 시와 일치하였다. 연소실에서 슬러리의 전체 레벨링은 적절했으며 주입 과정에서 상대적으로 큰 구멍과 결함이 발생하지 않았습니다.

Figure 1. The equipment used in the vacuum flower-plate pouring process.
Figure 1. The equipment used in the vacuum flower-plate pouring process.
Figure 2. Calculation model.
Figure 2. Calculation model.
Figure 3. Grid block division unit.
Figure 3. Grid block division unit.
Figure 4. Circular section of the speed cloud.
Figure 4. Circular section of the speed cloud.
Figure 5. Viscosity and shear rate distribution cloud pattern flowing through the plate holes.
Figure 5. Viscosity and shear rate distribution cloud pattern flowing through the plate holes.
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.
Figure 7. Volume fraction cloud chart at different time.
Figure 7. Volume fraction cloud chart at different time.
Figure 8. Experimental program.
Figure 8. Experimental program.
Figure 9. Emulation experimental device.
Figure 9. Emulation experimental device.
Figure 10. Visualization of the flow state of the pulp inside the tester.
Figure 10. Visualization of the flow state of the pulp inside the tester.

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Full Test View
Forming characteristics and control method of weld bead for GMAW on curved surface

곡면에 GMAW용 용접 비드의 형성 특성 및 제어 방법

Forming characteristics and control method of weld bead for GMAW on curved surface

The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2021)Cite this article

Abstract

곡면에서 GMAW 기반 적층 가공의 용접 성형 특성은 중력의 영향을 크게 받습니다. 성형면의 경사각이 크면 혹 비드(hump bead)와 같은 심각한 결함이 발생합니다.

본 논문에서는 양생면에서 용접 비드 형성의 형성 특성과 제어 방법을 연구하기 위해 용접 용융 풀 유동 역학의 전산 모델을 수립하고 제안된 모델을 검증하기 위해 증착 실험을 수행하였습니다.

결과는 용접 비드 경사각(α)이 증가함에 따라 역류의 속도가 증가하고 상향 용접의 경우 α > 60°일 때 불규칙한 험프 결함이 나타나는 것으로 나타났습니다.

상부 과잉 액체의 하향 압착력과 하부 상향 유동의 반동력과 표면장력 사이의 상호작용은 용접 혹 형성의 주요 요인이었다. 하향 용접의 경우 양호한 형태를 얻을 수 있었으며, 용접 비드 경사각이 증가함에 따라 용접 높이는 감소하고 용접 폭은 증가하였습니다.

하향 및 상향 용접을 위한 곡면의 용융 거동 및 성형 특성을 기반으로 험프 결함을 제어하기 위해 위브 용접을 통한 증착 방법을 제안하였습니다.

성형 궤적의 변화로 인해 용접 방향의 중력 성분이 크게 감소하여 용융 풀 흐름의 안정성이 향상되었으며 복잡한 표면에서 안정적이고 일관된 용접 비드를 얻는 데 유리했습니다.

하향 용접과 상향 용접 사이의 단일 비드의 치수 편차는 7% 이내였으며 하향 및 상향 혼합 혼합 비드 중첩 증착에서 비드의 변동 편차는 0.45로 GMAW 기반 적층 제조 공정에서 허용될 수 있었습니다.

이러한 발견은 GMAW를 기반으로 하는 곡선 적층 적층 제조의 용접 비드 형성 제어에 기여했습니다.

The weld forming characteristics of GMAW-based additive manufacturing on curved surface are dramatically influenced by gravity. Large inclined angle of the forming surface would lead to severe defects such as hump bead. In this paper, a computational model of welding molten pool flow dynamics was established to research the forming characteristic and control method of weld bead forming on cured surface, and deposition experiments were conducted to verify the proposed model. Results indicated that the velocity of backward flows increased with the increase of weld bead tilt angle (α) and irregular hump defects appeared when α > 60° for upward welding. The interaction between the downward squeezing force of the excess liquid at the top and the recoil force of the upward flow at the bottom and the surface tension were primary factors for welding hump formation. For downward welding, a good morphology shape could be obtained, and the weld height decreased and the weld width increased with the increase of weld bead tilt angle. Based on the molten behaviors and forming characteristics on curved surface for downward and upward welding, the method of deposition with weave welding was proposed to control hump defects. Gravity component in the welding direction was significantly reduced due to the change of forming trajectory, which improved the stability of the molten pool flow and was beneficial to obtain stable and consistent weld bead on complex surface. The dimensional deviations of the single bead between downward and upward welding were within 7% and the fluctuation deviation of the bead in multi-bead overlapping deposition with mixing downward and upward welding was 0.45, which could be acceptable in GMAW-based additive manufacturing process. These findings contributed to the weld bead forming control of curve layered additive manufacturing based on GMAW.

Keywords

  • Molten pool behaviors
  • GMAW-based WAAM
  • Deposition with weave welding
  • Welding on curved surface
  • Fig. 1extended data figure 1
  • Fig. 2extended data figure 2
  • Fig. 3extended data figure 3
  • Fig. 4extended data figure 4
  • Fig. 5extended data figure 5
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  • Fig. 36extended data figure 36
  • Fig. 37extended data figure 37
  • Fig. 38extended data figure 38

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Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China

Barrier Lake의 홍수 침수 진행 및 평가지역 생태 시공간 반응 사례 연구 (쓰촨-티베트 지역)

Flood Inundation Evolution of Barrier Lake and Evaluation of Regional Ecological Spatiotemporal Response — A Case Study of Sichuan-Tibet Region

Abstract

중국 쓰촨-티베트 지역은 댐 호수의 발생과 붕괴를 동반한 지진 재해가 빈번한 지역이었습니다. 댐 호수의 붕괴는 하류 직원의 생명과 재산 안전을 심각하게 위협합니다.

동시에 국내외 학자들은 주변의 댐 호수에 대해 우려하고 있으며 호수에 대한 생태 연구는 거의 없으며 댐 호수가 생태에 미치는 영향은 우리 호수 건설 프로젝트에서 매우 중요한 계몽 의의를 가지고 있습니다.

이 기사의 목적은 방벽호의 댐 붕괴 위험을 과학적으로 예측하고 생태 환경에 대한 영향을 조사하며 통제 조치를 제시하는 것입니다. 본 논문은 쓰촨-티베트 지역의 Diexihaizi, Tangjiashan 댐호, Hongshihe 댐의 4대 댐 호수 사건을 기반으로 원격 감지 이미지에서 수역을 추출하고 HEC-RAS 모델을 사용하여 위험이 있는지 여부를 결정합니다.

댐 파손 여부 및 댐의 경로 예측; InVEST 모델을 이용하여 1990년부터 2020년까지 가장 작은 행정 구역(군/구)이 위치한 서식지를 평가 및 분석하고, 홍수 침수 결과를 기반으로 평가합니다. 결과는 공학적 처리 후 안정적인 댐 호수(Diexi Haizi)가 서식지 품질 지수에 안정화 효과가 있음을 보여줍니다.

댐 호수의 형성은 인근 토지 이용 유형과 지역 경관 생태 패턴을 변화 시켰습니다. 서식지 품질 지수는 사이 호수 주변 1km 지역에서 약간 감소하지만 3km 지역과 5km 지역에서 서식지 품질이 향상됩니다. 인공 홍수 방류 및 장벽 호수의 공학적 보강이 필요합니다.

이 논문에서 인간의 통제가 강한 지역은 다른 지역의 서식지 질 지수보다 더 잘 회복될 것입니다.

The Sichuan-Tibet region of China has always been an area with frequent earthquake disasters, accompanied by the occurrence and collapse of dammed lakes. The collapse of dammed lakes seriously threatens the lives and property safety of downstream personnel.

At the same time, domestic and foreign scholars are concerned about the surrounding dammed lake there are few ecological studies on the lake, and the impact of the dammed lake on the ecology has very important enlightenment significance for our lake construction project. It is the purpose of this article to scientifically predict the risk of dam break in a barrier lake, explore its impact on the ecological environment and put forward control measures.

Based on the four major dammed lake events of Diexihaizi, Tangjiashan dammed lake, and Hongshihe dammed lake in the Sichuan-Tibet area, this paper extracts water bodies from remote sensing images and uses the HEC-RAS model to determine whether there is a risk of the dam break and whether Forecast the route of the dam; and use the InVEST model to evaluate and analyze the habitat of the smallest administrative district (county/district) where it is located from 1990 to 2020 and make an evaluation based on the results of flood inundation.

The results show that the stable dammed lake (Diexi Haizi) after engineering treatment has a stabilizing effect on the habitat quality index. The formation of the dammed lake has changed the nearby land-use types and the regional landscape ecological pattern.

The habitat quality index will decrease slightly in the 1 km area around Sai Lake, but the habitat quality will increase in the 3 km area and the 5 km area. Artificial flood discharge and engineering reinforcement of barrier lakes are necessary. In this paper, the areas with strong human control will recover better than other regions’ habitat quality index.

Fengshan Jiang (  florachaing@mail.ynu.edu.cn )
Yunnan University https://orcid.org/0000-0001-6231-6180
Xiaoai Dai
Chengdu University of Technology https://orcid.org/0000-0003-1342-6417
Zhiqiang Xie
Yunnan University
Tong Xu
Yunnan University
Siqiao Yin
Yunnan University
Ge Qu
Chengdu University of Technology
Shouquan Yang
Yunnan University
Yangbin Zhang
Yunnan University
Zhibing Yang
Yunnan University
Jiarui Xu
Yunnan University
Zhiqun Hou
Kunming institute of surveying and mapping

Keywords

dammed lake, regional ecology, flood simulation, habitat quality

Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China
Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China
Figure 8 Habitat quality changes in Maoxian County
Figure 8 Habitat quality changes in Maoxian County
Figure 9 Habitat quality changes in Beichuan County
Figure 9 Habitat quality changes in Beichuan County
Figure 10 Habitat quality change map of Qingchuan County
Figure 10 Habitat quality change map of Qingchuan County

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Hydraulic Analysis of Submerged Spillway Flows and Performance Evaluation of Chute Aerator Using CFD Modeling: A Case Study of Mangla Dam Spillway

CFD 모델링을 이용한 침수 배수로 흐름의 수리학적 해석 및 슈트 폭기장치 성능 평가: Mangla Dam 배수로 사례 연구

Hydraulic Analysis of Submerged Spillway Flows and Performance Evaluation of Chute Aerator Using CFD Modeling: A Case Study of Mangla Dam Spillway

Muhammad Kaleem Sarwar, Zohaib Nisar, Ghulam Nabi, Faraz ul Haq, Ijaz Ahmad, Muhammad Masood & Noor Muhammad Khan 

Abstract

대용량 배출구가 있는 수중 여수로는 일반적으로 홍수 처리 및 침전물 세척의 이중 기능을 수행하기 위해 댐 정상 아래에 제공됩니다. 이 방수로를 통과하는 홍수 물은 난류 거동을 나타냅니다. 

게다가 이러한 난류의 수력학적 분석은 어려운 작업입니다. 

따라서 본 연구는 파키스탄 Mangla Dam에 건설된 수중 여수로의 수리학적 거동을 수치해석을 통해 조사하는 것을 목적으로 한다. 또한 다양한 작동 조건에서 화기의 유압 성능을 평가했습니다. 

Mangla Spillway의 흐름을 수치적으로 모델링하는 데 전산 유체 역학 코드 FLOW 3D가 사용되었습니다. 레이놀즈 평균 Navier-Stokes 방정식은 난류 흐름을 수치적으로 모델링하기 위해 FLOW 3D에서 사용됩니다. 

연구 결과에 따르면 개발된 모델은 최대 6%의 허용 오차로 흐름 매개변수를 계산하므로 수중 여수로 흐름을 시뮬레이션할 수 있습니다. 

또한, 여수로 슈트 베드 주변 모델에 의해 계산된 공기 농도는 폭기 장치에 램프를 설치한 후 6% 이상으로 상승한 3%로 개발된 모델도 침수형 폭기 장치의 성능을 평가할 수 있음을 보여주었습니다.

Submerged spillways with large capacity outlets are generally provided below the dam crest to perform the dual functions of flood disposal and sediment flushing. Flood water passing through these spillways exhibits turbulent behavior. Moreover; hydraulic analysis of such turbulent flows is a challenging task. Therefore, the present study aims to use numerical simulations to examine the hydraulic behavior of submerged spillways constructed at Mangla Dam, Pakistan. Besides, the hydraulic performance of aerator was also evaluated at different operating conditions. Computational fluid dynamics code FLOW 3D was used to numerically model the flows of Mangla Spillway. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are used in FLOW 3D to numerically model the turbulent flows. The study results indicated that the developed model can simulate the submerged spillway flows as it computed the flow parameters with an acceptable error of up to 6%. Moreover, air concentration computed by model near spillway chute bed was 3% which raised to more than 6% after the installation of ramp on aerator which showed that developed model is also capable of evaluating the performance of submerged spillway aerator.

Keywords

  • Aerator
  • CFD
  • FLOW 3D
  • Froude number
  • Submerged spillway
  • Fig. 1extended data figure 1Fig. 2extended data figure 2Fig. 3extended data figure 3Fig. 4extended data figure 4Fig. 5extended data figure 5Fig. 6extended data figure 6Fig. 7extended data figure 7Fig. 8

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Watershed area

Analysis on inundation characteristics by compound external forces in coastal areas

연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석

Taeuk KangaDongkyun SunbSangho Leec*
강 태욱a선 동균b이 상호c*
aResearch Professor, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, KoreabResearcher, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, KoreacProfessor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea
a부경대학교 방재연구소 전임연구교수b부경대학교 방재연구소 연구원c부경대학교 공과대학 토목공학과 교수*Corresponding Author

ABSTRACT

연안 지역은 강우, 조위, 월파 등 여러가지 외력에 의해 침수가 발생될 수 있다. 이에 이 연구에서는 연안 지역에서 발생될 수 있는 단일 및 복합 외력에 의한 지역별 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려한 외력은 강우와 폭풍 해일에 의한 조위 및 월파이고, 분석 대상지역은 남해안 및 서해안의 4개 지역이다. 유역의 강우-유출 및 2차원 지표면 침수 분석에는 XP-SWMM이 사용되었고, 폭풍 해일에 의한 외력인 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 모형과 FLOW-3D 모형이 각각 활용되었다. 단일 외력을 이용한 분석 결과, 대부분의 연안 지역에서는 강우에 의한 침수 영향보다 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 크게 나타났다. 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 지역의 침수 피해 저감을 위해서는 복합 외력을 고려한 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.키워드연안 지역 침수 분석 강우 폭풍 해일 복합 외력

The various external forces can cause inundation in coastal areas. This study is to analyze regional characteristics caused by single or compound external forces that can occur in coastal areas. Storm surge (tide level and wave overtopping) and rainfall were considered as the external forces in this study. The inundation analysis were applied to four coastal areas, located on the west and south coast in Republic of Korea. XP-SWMM was used to simulate rainfall-runoff phenomena and 2D ground surface inundation for watershed. A coupled model of ADCIRC and SWAN (ADCSWAN) was used to analyze tide level by storm surge and the FLOW-3D model was used to estimate wave overtopping. As a result of using a single external force, the inundation influence due to storm surge in most of the coastal areas was greater than rainfall. The results of using compound external forces were quite similar to those combined using one external force independently. However, a case of considering compound external forces sometimes created new inundation areas that didn’t appear when considering only a single external force. The analysis considering compound external forces was required to reduce inundation damage in these areas.KeywordsCoastal area Inundation analysis Rainfall Storm surge Compound external forces

MAIN

1. 서 론

우리나라는 반도에 위치하여 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 해양 산업을 중심으로 부산, 인천, 울산 등 대규모의 광역도시가 발달하였을 뿐만 아니라, 창원, 포항, 군산, 목포, 여수 등의 중․소규모 도시들도 발달되어 있다. 또한, 최근에는 연안 지역이 바다를 전망으로 하는 입지 조건을 가지고 있어 개발 선호도가 높고, 이에 따라 부산시 해운대의 마린시티, 엘시티와 같은 주거 및 상업시설의 개발이 지속되고 있다(Kang et al., 2019b).

한편, 최근 기후변화에 따른 지구 온난화 현상으로 평균 해수면이 상승하고, 해수면 온도도 상승하면서 태풍 및 강우의 강도가 커지고 있어 전 세계적으로 자연 재해로 인한 피해가 증가하고 있다(Kim et al., 2016). 실제로 2020년에는 최장기간의 장마가 발생하여 부산, 울산은 물론, 전국에서 50명의 인명 피해와 3,489세대의 이재민이 발생하였다1). 특히, 연안 지역은 강우, 만조 시 해수면 상승, 폭풍 해일(storm surge)에 의한 월파(wave overtopping) 등 복합적인 외력(compound external forces)에 의해 침수될 수 있다(Lee et al., 2020). 일례로, 2016년 태풍 차바 시 부산시 해운대구의 마린시티는 강우와 폭풍 해일에 의한 월파가 발생함에 따라 대규모 침수를 유발하였다(Kang et al., 2019b). 또한, 2020년 7월 23일에 부산에서는 시간당 81.6 mm의 집중호우와 약최고고조위를 상회하는 만조가 동시에 발생하였고, 이로 인해 감조 하천인 동천의 수위가 크게 상승하여 하천이 범람하였다(KSCE, 2021).

연안 지역의 복합 외력을 고려한 침수 분석에 관한 사례로서, 우선 강우와 조위를 고려한 연구 사례는 다음과 같다. Han et al. (2014)은 XP-SWMM을 이용하여 창원시 배수 구역을 대상으로 침수 모의를 수행하였는데, 연안 도시의 침수 모의에는 조위의 영향을 반드시 고려해야 함을 제시하였다. Choi et al. (2018a)은 경남 사천시 선구동 일대에 대하여 초과 강우 및 해수면 상승 시나리오를 조합하여 침수 분석을 수행하였다. Choi et al. (2018b)은 XP-SWMM을 이용하여 여수시 연등천 및 여수시청 지역에 대하여 강우 시나리오와 해수위 상승 시나리오를 고려한 복합 원인에 의한 침수 모의를 수행하여 홍수예경보 기준표를 작성하였다. 한편, 강우, 조위, 월파를 고려한 연구 사례로서, Song et al. (2017)은 부산시 해운대구 수영만 일원에 대하여 XP-SWMM으로 월파량의 적용 유무에 따른 침수 면적을 비교하였다. Suh and Kim (2018)은 부산시 마린시티 지역을 대상으로 태풍 차바 때 EurOtop의 경험식을 ADSWAN에 적용하여 월파량을 반영하였다. Chen et al. (2017)은 TELEMAC-2D 및 SWMM을 기반으로 한 극한 강우, 월파 및 조위를 고려하여 중국 해안 원자력 발전소의 침수를 예측하고 분석하기 위한 결합 모델을 개발한 바 있다. 한편, Lee et al. (2020)은 수리‧수문학 분야와 해양공학 분야에서 사용되는 물리 모형의 기술적 연계를 통해 연안 지역의 침수 모의의 재현성을 높였다.

상기의 연구들은 공통적으로 연안 지역에 대하여 복합 외력을 고려했을 때 발생되는 침수 현상의 재현 또는 예측을 목적으로 수행되었다. 이 연구는 이와 차별하여 복합 외력을 고려하는 경우 나타날 수 있는 연안 지역의 침수 특성 분석을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 단일 외력을 독립적으로 고려했을 때 발생되는 침수 양상과 동시에 고려하는 경우의 침수 현상을 비교, 분석하였다. 복합 외력에 의한 지역적 침수 특성 분석은 우리나라 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역에 대하여 적용되었다.

1) 장연제, 47일째 이어진 긴 장마, 50명 인명피해… 9년만에 최대, 동아닷컴, 2020년 8월 9일 수정, 2021년 3월 4일 접속, https://www.donga.com/news/article/all/20200809/102369692/2

2. 연구 방법

2.1 연안 지역의 침수 영향 인자

연안 지역의 침수는 크게 세 가지의 메카니즘으로 발생될 수 있다. 우선, 연안 지역은 바다와 인접하고 있기 때문에 그 영향을 직접적으로 받는다. Kim (2018)에 의하면, 연안 지역의 침수는 폭풍 해일에 의해 상승한 조위와 월파로 인해 발생될 수 있다(Table 1). 특히, 경상남도의 창원과 통영, 인천광역시의 소래포구 어시장 등 남해안 및 서해안 지역의 일부는 백중사리, 슈퍼문(super moon) 등 만조 시 조위의 상승으로 인한 침수가 발생하는 지역이 존재한다(Kang et al., 2019a). 두 번째는 강우에 의한 내수 침수 발생이다. ME (2011)에서는 도시 지역의 우수 관거를 10 ~ 30년 빈도로 계획하도록 지정하고 있고, 펌프 시설은 30 ~ 50년 빈도의 홍수를 배수시킬 수 있도록 정하고 있다. 하지만 최근에는 기후변화의 영향으로 도시 지역 배수시설의 설계 빈도를 초과하는 강우가 빈번하게 나타나고 있다. 실제로 2016년의 태풍 차바 시 울산 기상관측소에 관측된 시간 최대 강우량은 106.0 mm로서, 이는 300년 빈도 이상의 강우량에 해당하였다(Kang et al., 2019a). 따라서 배수시설의 설계 빈도 이상의 강우는 연안 도시 지역의 침수를 유발할 수 있다. 세 번째, 하천이 인접한 연안 도시에서는 하천의 범람으로 인해 침수가 발생할 수 있다. 하천의 경우, 기본계획이 수립되기는 하지만, 설계 빈도를 상회하는 강우의 발생, 제방, 수문 등 홍수 방어시설의 기능 저하, 예산 등의 문제로 하천기본계획 이행의 지연 등에 의해 범람할 가능성이 존재한다.

Table 1.

Type of natural hazard damage in coastal areas (Kim, 2018)

ItemRisk factor
Facilities damage∙ Breaking of coastal facilities by wave
– Breakwater, revetment, lighters wharf etc.
∙ Local scouring at the toe of the structures by wave
∙ Road collapse by wave overtopping
Inundation damage∙ Inundation damage by wave overtopping
∙ Inundation of coastal lowlands by storm surge
Erosion damage∙ Backshore erosion due to high swell waves
∙ Shoreline changes caused by construction of coastal erosion control structure
∙ Sediment transport due to the construction of artificial structures

상기의 내용을 종합하면, 연안 지역은 조위 및 월파에 의한 침수, 강우에 의한 내수 침수, 하천 범람에 의한 침수로 구분될 수 있다. 이 연구에서는 폭풍 해일에 의한 조위 상승 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 유발 외력으로 고려하였다. 하천 범람의 경우, 상대적으로 사례가 희소하여 제외하였다.

2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법

이 연구에서는 조위 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 발생에 관한 외력 조건으로 고려하였다. 따라서 해당 외력 조건을 고려하여 침수 분석을 수행할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같이 수리‧수문 및 해양공학 분야에서 사용되는 물리 기반 모형의 연계를 통해 조위, 월파, 강우를 고려한 침수 분석 방법을 제시하였고, 이 연구에서는 해당 방법을 이용하였다.

/media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F1.jpg
Fig. 1.

Connection among the models for inundation analysis in coastal areas (Lee et al., 2020)

우선, 태풍에 의해 발생되는 폭풍 해일의 영향을 분석하기 위해서는 태풍에 의해 발생되는 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등을 고려하여 해수면의 변화 양상 및 조석-해일-파랑을 충분히 재현 가능해야 한다. 이 연구에서는 국내․외에서 검증 및 공인된 폭풍 해일 모형인 ADCIRC 모형과 파랑 모형인 UnSWAN이 결합된 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and UnSWAN)을 이용하였다. 정수압 가정의 ADCSWAN은 월파량 산정에 단순 경험식을 적용하는 단점이 있지만 넓은 영역을 모의할 수 있고, FLOW-3D는 해안선의 경계를 고해상도로 재현이 가능하다. 이에 연구에서는 먼 바다 영역에 대해서는 ADCSWAN을 이용하여 분석하였고, 연안 주변의 바다 영역과 월파량 산정에 대해서는 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 한편, 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역에서 발생하는 강우-유출 현상과 우수 관거 등의 배수 체계에 대한 분석이 가능해야 한다. 또한, 배수 체계로부터 범람한 물이 지표면을 따라 흘러가는 현상을 해석할 수 있어야 하고, 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 이러한 현상을 모의할 수 있고, 도시 침수 모의에 활용도가 높은 XP-SWMM을 이용하였다.

2.3 침수 분석 대상지역

연구의 대상지역은 조위 및 월파에 의한 침수와 강우에 의한 내수 침수의 영향이 복합적으로 발생할 수 있는 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역이다. Table 2는 침수 분석 대상지역을 정리하여 나타낸 표이고, Fig. 2는 각 지역의 유역 경계를 나타낸 그림이다.

Table 2.

Target region for inundation analysis

ClassificationAdministrative districtTarget regionArea
(km2)		Main cause of inundationPump
facility		Number of
major outfall
The south
coast		Haundae-gu, BusanMarine City area0.53Wave overtopping–9
Haundae-gu, BusanCentum City area4.76Poor interior drainage at high tide level12
The west
coast		GunsanJungang-dong area0.79Poor interior drainage at high tide level23
BoryeongOcheon Port area0.41High tide level–5

/media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F2.jpg
Fig. 2.

Watershed area

남해안의 분석 대상지역 중 부산시 해운대구의 마린시티는 바다 조망을 중심으로 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 개발지역이다. 마린시티는 2016년 태풍 차바 및 2018년 태풍 콩레이 등 태풍 내습 시 월파에 의한 해수 월류로 인해 도로 및 상가 일부가 침수를 겪은 지역이다. 부산시 해운대구의 센텀시티는 과거 수영만 매립지였던 곳에 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 신도시 지역이다. 센텀시티 유역의 북쪽은 해발고도 El. 634 m의 장산이 위치하는 등 산지 특성도 가지고 있어 상대적으로 유역 면적이 넓고, 배수시설의 규모도 크고 복잡하다. 하지만 수영강 하구의 저지대 지역에 위치함에 따라 강우 시 내수 배제가 불량하고, 특히 만조 시 침수가 잦은 지역이다.

서해안 분석 대상지역 중 전라북도 군산시의 중앙동 일원은 군산시 내항 내측에 조성된 구도시로서, 금강 및 경포천 하구에 위치하는 저지대이다. 이에 따라 군산시 풍수해저감종합계획에서는 해당 지역을 3개의 영역으로 구분하여 내수재해 위험지구(영동지구, 중동지구, 경암지구)로 지정하였고, 이 연구에서는 해당 지역을 모두 고려하였다. 한편, 군산시 중앙동 일원은 특히, 만조 시 내수 배제가 매우 불량하여 2개의 펌프시설이 운영되고 있다. 충청남도 보령시의 오천면에 위치한 오천항은 배후의 산지를 포함한 소규모 유역에 위치한다. 서해안의 특성에 따라 조석 간만의 차가 크고, 특히 태풍 내습 시 폭풍 해일에 의한 침수가 잦은 지역이다. 산지의 강우-유출수는 복개된 2개의 수로를 통해 바다로 배제되고, 상가들이 위치한 연안 주변 지역에는 강우-유출수 배제를 위한 3개의 배수 체계가 구성되어 있다.

3. 연구 결과

3.1 침수 모의 모형 구축

XP-SWMM을 이용하여 분석 대상지역별 침수 모의 모형을 구축하였다. 적절한 침수 분석 수행을 위해 지역별 수치지형도, 도시 공간 정보 시스템(urban information system, UIS), 하수 관망도 등의 수치 자료와 현장 조사를 통해 유역의 배수 체계를 구성하였다. 그리고 2차원 침수 분석을 위해 무인 드론 및 육상 라이다(LiDAR) 측량을 수행하여 평면해상도가 1 m 이하인 고해상도 수치지형모형(digital terrain model, DTM)을 구성하였고, 침수 모의 격자를 생성하였다.

Fig. 3은 XP-SWMM의 상세 구축 사례로서 부산시 마린시티 배수 유역에 대한 소유역 및 관거 분할 등을 통해 구성한 배수 체계와 고해상도 측량 결과를 이용하여 구성한 수치표면모형(digital surface model, DSM)을 나타낸다. Fig. 4는 각 대상지역에 대해 XP-SWMM을 이용하여 구축한 침수 모의 모형을 나타낸다. 침수 분석을 위해서는 침수 모의 영역에 대한 설정이 필요한데, 다수의 사전 모의를 통해 유역 내에서 침수가 발생되는 지역을 검토하여 결정하였다.

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Fig. 3.

Analysis of watershed drainage system and high-resolution survey for Marine City

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Fig. 4.

Simulation model for inundation analysis by target region using XP-SWMM

한편, 이 연구에서는 월파량 및 조위의 산정 과정과 침수 모의 모형의 보정에 관한 내용 등은 다루지 않았다. 관련된 내용은 선행 연구인 Kang et al. (2019b)와 Lee et al. (2020)을 참조할 수 있다.

3.2 침수 모의 설정

3.2.1 분석 방법

복합 외력에 의한 침수 영향을 검토하기 위해서는 외력 조건에 대한 빈도와 지속기간의 설정이 필요하다. 이 연구에서는 재해 현상이 충분히 나타날 수 있도록 강우와 조위 및 월파의 빈도를 모두 100년으로 설정하였다. 이때, 조위와 월파량의 산정에는 만조(약최고고조위) 시, 100년 빈도에 해당하는 태풍 내습에 따른 폭풍 해일의 발생 조건을 고려하였다.

지역별 강우 발생 특성과 유역 특성을 고려하기 위해 MOIS (2017)의 방재성능목표 기준에 따라 임계 지속기간을 결정하여 대상지역별 강우의 지속기간으로 설정하였다. 이때, 강우의 시간 분포는 MLTM (2011)의 Huff 3분위를 이용하였다. 그리고 조위와 월파의 경우, 일반적인 폭풍 해일의 지속기간을 고려하여 5시간으로 결정하였다. 한편, 침수 모의를 위한 계산 시간 간격, 2차원 모의 격자 등의 입력자료는 분석 대상지역의 유역 규모와 침수 분석 대상 영역을 고려하여 결정하였다. 참고로 침수 분석에 사용된 수치지형모형은 1 m 급의 고해상도로 구성되었지만, 2차원 침수 모의 격자의 크기는 지역별로 3 ~ 4 m이다. 이는 연구에서 사용된 XP-SWMM의 격자 수(100,000개) 제약에 따른 설정이나, Sun (2021)은 민감도 분석을 통해 2차원 침수 분석을 위한 적정 격자 크기를 3 ~ 4.5 m로 제시한 바 있다.

Table 3은 이 연구에서 설정한 침수 모의 조건과 분석 방법을 정리하여 나타낸 표이다.

Table 3.

Simulation condition and method

ClassificationTarget regionSimulation conditionSimulation method
RainfallStorm surgeSimulation time interval2D
grid size
Return
period		DurationTemporal
distribution		Return
period		DurationWatershed
routing		Channel
routing		2D
inundation
The south coastMarine City area100 yr1 hr3rd quartile
of Huff’s
method		1005 hr5 min10 sec1 sec3 m
Centum City area1 hr1005 min10 sec1 sec4 m
The west coastJungang-dong area2 hr1005 min10 sec1 sec3.5 m
Ocheon Port area1 hr1001 min10 sec1 sec3 m

3.2.2 복합 재해의 동시 고려

이 연구의 대상지역들은 모두 소규모의 해안가 도시지역이고, 이러한 지역에 대한 강우의 임계지속기간은 1시간 ~ 2시간이나, 이 연구에서 분석한 폭풍 해일의 지속기간은 5시간으로 강우의 지속기간과 폭풍 해일의 지속기간이 상이하다. 이에 이 연구에서는 서로 다른 지속기간을 가진 강우와 폭풍 해일 또는 조위를 고려하기 위해 강우의 중심과 폭풍 해일의 중심이 동일한 시간에 위치하도록 설정하였다(Fig. 5).

XP-SWMM은 폭풍 해일이 지속되는 5시간 전체를 모의하도록 설정하였고, 폭풍 해일이 가장 큰 시점에 강우의 중심이 위치하도록 강우 발생 시기를 결정하였다. 다만, 부산 마린시티의 경우, 폭풍 해일에 의한 피해가 주로 월파에 의해 발생되므로 강우의 중심과 월파의 중심을 일치시켰고(Fig. 5(a)), 상대적으로 조위의 영향이 큰 3개 지역은 강우의 중심과 조위의 중심을 맞추었다. Fig. 5(b)는 군산시 중앙동 지역의 복합 외력에 의한 침수 분석에 사용된 강우와 조위의 조합이다.

한편, 100년 빈도의 확률강우량만을 고려한 침수 분석에서는 유역 유출부의 경계조건으로 우수 관거의 설계 조건을 고려하여 약최고고조위가 일정하게 유지되도록 설정하였다.

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Fig. 5.

Consideration of external force conditions with different durations

3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려

XP-SWMM에 ADCSWAN 및 FLOW-3D 모형에 의해 산정된 월파량을 입력하기 위해 해안가 지역에 절점을 생성하여 월파 현상을 구현하였다. XP-SWMM에서 월파량을 입력하기 위한 절점의 위치는 FLOW-3D 모형에서 월파량을 산정한 격자의 중심 위치이다.

Fig. 6(a)는 마린시티 지역에 대한 월파량 입력 지점을 나타낸 것으로서, 유역 경계 주변에 동일 간격으로 원으로 표시한 지점들이 해당된다. Fig. 6(b)는 XP-SWMM에 월파량 입력 지점들을 반영하고, 하나의 절점에 월파량 시계열을 입력한 화면을 나타낸다.

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Fig. 6.

Considering wave overtopping on XP-SWMM

3.3 침수 모의 결과

3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과

Fig. 7은 단일 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, Fig. 7의 왼쪽 그림들은 지역별로 100년 빈도 강우에 의한 침수 모의 결과를 나타내고, Fig. 7의 오른쪽 그림들은 만조 시 100년 빈도 폭풍 해일에 의한 침수 모의 결과이다. 대체로 강우에 의한 침수 영역은 유역 중․상류 지역의 유역 전반에 걸쳐 발생하였고, 폭풍 해일에 의한 침수 영역은 해안가 전면부에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 폭풍 해일에 의한 조위 상승과 월파의 영향이 상류로 갈수록 감소하기 때문이다.

한편, 4개 지역 모두에서 공통적으로 강우에 비해 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 상대적으로 크게 분석되었다. 이러한 결과는 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 대비한 침수 피해 저감 노력이 보다 중요함을 의미한다.

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Fig. 7.

Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)

3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과

Fig. 8은 복합 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, 강우 및 폭풍 해일을 동시에 고려함에 따라 발생된 침수 영역을 나타낸다. 복합 외력을 고려하는 경우, 단일 외력만을 고려한 분석 결과(Fig. 7)보다 침수 영역은 넓어졌고, 침수심은 깊어졌다.

복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였고, 이는 일반적으로 예상할 수 있는 결과이다. 주목할만한 결과는 군산시 중앙동의 침수 분석에서 나타났다. 즉, 군산시 중앙동의 경우, 단일 외력만을 고려한 침수 모의 결과에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하였다(Fig. 8(c)). 이와 관련된 상세 내용은 3.4절의 고찰에서 기술하였다.

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Fig. 8.

Simulation results by compound external forces

3.4 결과 고찰

외력 조건별 침수의 영향을 정량적으로 비교하기 위해 침수 면적을 이용하였다. 이 연구에서는 강우만에 의해 유발된 침수 면적을 기준(기준값: 1)으로 하고, 폭풍 해일(조위+월파량)에 의한 침수 면적과 복합 외력에 의한 침수 면적의 상대적 비율로 분석하였다(Table 4).

Table 4.

Impact evaluation for inundation area by external force

ConditionMarine City, BusanCentum City, BusanJungang-dong area,
Gunsan		Ocheon Port area,
Boryeong
Inundation area
(km2)		RateInundation area
(km2)		RateInundation area
(km2)		RateInundation area
(km2)		Rate
Single
external force		Rainfall (①)0.01641.00.07591.00.04571.00.01751.0
Storm surge (②)0.03632.210.06850.900.14633.200.04122.35
Compound
external forces		Combination
(①+②)		0.05243.190.15051.980.26325.760.04732.70

분석 결과, 부산 센텀시티를 제외한 3개 지역은 모두 폭풍 해일에 의한 침수 면적이 강우에 의한 침수 면적에 비해 2.2 ~ 3.2배 넓은 것으로 분석되었다. 한편, 복합 외력에 의한 침수 면적은 마린시티와 센텀시티의 경우, 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합과 유사하게 나타났다. 이는 각각의 외력에 의한 침수 영역이 상이하여 거의 중복되지 않음을 의미한다. 반면에, 오천항에서는 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합이 복합 외력에 의한 면적보다 크게 나타났다. 이는 오천항의 경우, 유역면적이 작고 배수 체계가 비교적 단순하여 강우와 폭풍 해일에 의한 침수 영역이 중복되기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 7(d)).

군산시 중앙동 일대의 경우, 복합 외력에 의한 침수 면적이 각각의 독립적인 외력 조건에 의한 침수 면적의 합에 비해 37.1% 크게 나타났다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 복합 외력 조건에서만 나타난 우수 관거(Fig. 8(c)의 A 구간)에 대하여 종단을 검토하였다(Fig. 9). Fig. 9(a)는 강우만에 의해 분석된 우수 관거 내 흐름 종단을 나타내고, Fig. 9(b)는 폭풍 해일만에 의한 우수 관거의 종단이다. 그림을 통해 각각의 독립적인 외력 조건 하에서는 해당 구간에서 침수가 발생되지 않은 것을 볼 수 있다. 다만, 강우만을 고려하더라도 우수 관거는 만관이 된 상태를 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 반면에, 만관 상태에서 폭풍 해일이 함께 고려됨에 따라 해수 범람과 조위 상승에 의해 우수 배제가 불량하게 되었고, 이로 인해 침수가 유발된 것으로 분석되었다(Fig. 9(c)). 따라서 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단할 수 있고, 단일 외력의 고려만으로는 침수를 예상하기 어려운 지역임을 알 수 있다.

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Fig. 9.

A part of drainage profiles by external force in Jungang-dong area, Gunsan

4. 결 론

이 연구에서는 외력 조건에 따른 연안 지역의 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려된 외력 조건은 두 가지로서 강우와 폭풍 해일(조위와 월파)이다. 분석 대상 연안 지역으로는 남해안에 위치하는 2개 지역(부산시 해운대구의 마린시티와 센텀시티)과 서해안의 2개 지역(군산시 중앙동 일원 및 보령시 오천항)이 선정되었다.

복합 외력을 고려한 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역의 강우-유출 현상과 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있는 침수 모의 모형이 요구되는데, 이 연구에서는 XP-SWMM을 이용하였다. 한편, 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 및 FLOW-3D 모형이 이용되었다.

연안 지역별 침수 모의는 100년 빈도의 강우와 폭풍 해일을 독립적으로 고려한 경우와 복합적으로 고려한 경우를 구분하여 수행되었다. 우선, 외력을 독립적으로 고려한 결과, 대체로 폭풍 해일만 고려한 경우가 강우만 고려한 경우에 비해 침수 영향이 크게 나타났다. 따라서 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 의한 침수 피해 방지 계획이 상대적으로 중요한 것으로 분석되었다. 두 번째, 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수 모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 결과는 독립적인 외력 조건에서는 우수 관거가 만관 또는 그 이하의 상태가 되지만, 두 가지의 외력이 동시에 고려됨에 따라 우수 관거의 통수능 한계를 초과하여 나타났다. 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단되었고, 해당 지역의 적절한 침수 방지 대책 수립을 위해서는 복합적인 외력 조건이 고려되어야 함을 시사하였다.

현행, 자연재해저감종합계획에서는 침수와 관련된 재해 원인 지역을 내수재해, 해안재해, 하천재해 등으로 구분하고 있다. 하지만 이 연구에서 검토된 바와 같이, 연안 지역의 침수 원인은 복합적으로 나타날 뿐만 아니라, 복합 외력을 고려함에 따라 추가적으로 나타날 수 있는 침수 위험 지역도 존재한다. 따라서 기존의 획일적인 재해 원인의 구분보다는 지역의 특성에 맞는 복합적인 재해 원인을 검토할 필요가 있음을 제안한다.

Acknowledgements

본 논문은 행정안전부 극한 재난대응 기반기술 개발사업의 일환인 “해안가 복합재난 위험지역 피해저감 기술개발(연구과제번호: 2018-MOIS31-008)”의 지원으로 수행되었습니다.

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Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

Effect of carrier gases on the entrainment defects within AZ91 alloy castings

Tian Liab J.M.T.Daviesa Xiangzhen Zhuc
aUniversity of Birmingham, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
bGrainger and Worrall Ltd, Bridgnorth WV15 5HP, United Kingdom
cBrunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University London, Kingston Ln, London, Uxbridge UB8 3PH, United Kingdom

Abstract

An entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) acts a void containing an entrapped gas when submerged into a light-alloy melt, thus reducing the quality and reproducibility of the final castings. Previous publications, carried out with Al-alloy castings, reported that this trapped gas could be subsequently consumed by the reaction with the surrounding melt, thus reducing the void volume and negative effect of entrainment defects. Compared with Al-alloys, the entrapped gas within Mg-alloy might be more efficiently consumed due to the relatively high reactivity of magnesium. However, research into the entrainment defects within Mg alloys has been significantly limited. In the present work, AZ91 alloy castings were produced under different carrier gas atmospheres (i.e., SF6/CO2, SF6/air). The evolution processes of the entrainment defects contained in AZ91 alloy were suggested according to the microstructure inspections and thermodynamic calculations. The defects formed in the different atmospheres have a similar sandwich-like structure, but their oxide films contained different combinations of compounds. The use of carrier gases, which were associated with different entrained-gas consumption rates, affected the reproducibility of AZ91 castings.

Keywords

Magnesium alloyCastingOxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막 결함이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주조로 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF 6 /CO2 , SF 6 / 공기). AZ91 합금에 포함된 엔트레인먼트 결함의 진화 과정은 미세조직 검사 및 열역학적 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

키워드

마그네슘 합금주조Oxide film, Bifilm, Entrainment 불량, 재현성

1 . 소개

지구상에서 가장 가벼운 구조용 금속인 마그네슘은 지난 수십 년 동안 가장 매력적인 경금속 중 하나가 되었습니다. 결과적으로 마그네슘 산업은 지난 20년 동안 급속한 발전을 경험했으며 [1 , 2] , 이는 전 세계적으로 Mg 합금에 대한 수요가 크게 증가했음을 나타냅니다. 오늘날 Mg 합금의 사용은 자동차, 항공 우주, 전자 등의 분야에서 볼 수 있습니다. [3 , 4] . Mg 금속의 전 세계 소비는 특히 자동차 산업에서 앞으로 더욱 증가할 것으로 예측되었습니다. 기존 자동차와 전기 자동차 모두의 에너지 효율성 요구 사항이 설계를 경량화하도록 더욱 밀어붙이기 때문입니다 [3 , 5, 6] .

Mg 합금에 대한 수요의 지속적인 성장은 Mg 합금 주조의 품질 및 기계적 특성 개선에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. Mg 합금 주조 공정 동안 용융물의 표면 난류는 소량의 주변 대기를 포함하는 이중 표면 필름의 포획으로 이어질 수 있으므로 동반 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막 결함이라고도 함)을 형성합니다. ) [7] , [8] , [9] , [10] . 무작위 크기, 수량, 방향 및 연행 결함의 배치는 주조 특성의 변화와 관련된 중요한 요인으로 널리 받아들여지고 있습니다 [7] . 또한 Peng et al. [11]AZ91 합금 용융물에 동반된 산화물 필름이 Al 8 Mn 5 입자에 대한 필터 역할을 하여 침전될 때 가두는 것을 발견했습니다 . Mackie et al. [12]는 또한 동반된 산화막이 금속간 입자를 트롤(trawl)하는 작용을 하여 입자가 클러스터링되어 매우 큰 결함을 형성할 수 있다고 제안했습니다. 금속간 화합물의 클러스터링은 비말동반 결함을 주조 특성에 더 해롭게 만들었습니다.

연행 결함에 관한 이전 연구의 대부분은 Al-합금에 대해 수행되었으며 [7 , [13] , [14] , [15] , [16] , [17] , [18] 몇 가지 잠재적인 방법이 제안되었습니다. 알루미늄 합금 주물의 품질에 대한 부정적인 영향을 줄이기 위해. Nyahumwa et al., [16] 은 연행 결함 내의 공극 체적이 열간 등방압 압축(HIP) 공정에 의해 감소될 수 있음을 보여줍니다. Campbell [7] 은 결함 내부의 동반된 가스가 주변 용융물과의 반응으로 인해 소모될 수 있다고 제안했으며, 이는 Raiszedeh와 Griffiths [19]에 의해 추가로 확인되었습니다 ..혼입 가스 소비가 Al-합금 주물의 기계적 특성에 미치는 영향은 [8 , 9]에 의해 조사되었으며 , 이는 혼입 가스의 소비가 주조 재현성의 개선을 촉진함을 시사합니다.

Al-합금 내 결함에 대한 조사와 비교하여 Mg-합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적입니다. 연행 결함의 존재는 Mg 합금 주물 [20 , 21] 에서 입증 되었지만 그 거동, 진화 및 연행 가스 소비는 여전히 명확하지 않습니다.

Mg 합금 주조 공정에서 용융물은 일반적으로 마그네슘 점화를 피하기 위해 커버 가스로 보호됩니다. 따라서 모래 또는 매몰 몰드의 공동은 용융물을 붓기 전에 커버 가스로 세척해야 합니다 [22] . 따라서, Mg 합금 주물 내의 연행 가스는 공기만이 아니라 주조 공정에 사용되는 커버 가스를 포함해야 하며, 이는 구조 및 해당 연행 결함의 전개를 복잡하게 만들 수 있습니다.

SF 6 은 Mg 합금 주조 공정에 널리 사용되는 대표적인 커버 가스입니다 [23] , [24] , [25] . 이 커버 가스는 유럽의 마그네슘 합금 주조 공장에서 사용하도록 제한되었지만 상업 보고서에 따르면 이 커버는 전 세계 마그네슘 합금 산업, 특히 다음과 같은 글로벌 마그네슘 합금 생산을 지배한 국가에서 여전히 인기가 있습니다. 중국, 브라질, 인도 등 [26] . 또한, 최근 학술지 조사에서도 이 커버가스가 최근 마그네슘 합금 연구에서 널리 사용된 것으로 나타났다 [27] . SF 6 커버 가스 의 보호 메커니즘 (즉, 액체 Mg 합금과 SF 6 사이의 반응Cover gas)에 대한 연구는 여러 선행연구자들에 의해 이루어졌으나 표면 산화막의 형성과정이 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, 일부 발표된 결과들도 상충되고 있다. 1970년대 초 Fruehling [28] 은 SF 6 아래에 형성된 표면 피막이 주로 미량의 불화물과 함께 MgO 임을 발견 하고 SF 6 이 Mg 합금 표면 피막에 흡수 된다고 제안했습니다 . Couling [29] 은 흡수된 SF 6 이 Mg 합금 용융물과 반응하여 MgF 2 를 형성함을 추가로 확인했습니다 . 지난 20년 동안 아래에 자세히 설명된 것처럼 Mg 합금 표면 필름의 다양한 구조가 보고되었습니다.(1)

단층 필름 . Cashion [30 , 31] 은 X선 광전자 분광법(XPS)과 오제 분광법(AES)을 사용하여 표면 필름을 MgO 및 MgF 2 로 식별했습니다 . 그는 또한 필름의 구성이 두께와 전체 실험 유지 시간에 걸쳐 일정하다는 것을 발견했습니다. Cashion이 관찰한 필름은 10분에서 100분의 유지 시간으로 생성된 단층 구조를 가졌다.(2)

이중층 필름 . Aarstad et. al [32] 은 2003년에 이중층 표면 산화막을 보고했습니다. 그들은 예비 MgO 막에 부착된 잘 분포된 여러 MgF 2 입자를 관찰 하고 전체 표면적의 25-50%를 덮을 때까지 성장했습니다. 외부 MgO 필름을 통한 F의 내부 확산은 진화 과정의 원동력이었습니다. 이 이중층 구조는 Xiong의 그룹 [25 , 33] 과 Shih et al. 도 지지했습니다 . [34] .(삼)

트리플 레이어 필름 . 3층 필름과 그 진화 과정은 Pettersen [35]에 의해 2002년에 보고되었습니다 . Pettersen은 초기 표면 필름이 MgO 상이었고 F의 내부 확산에 의해 점차적으로 안정적인 MgF 2 상 으로 진화한다는 것을 발견했습니다 . 두꺼운 상부 및 하부 MgF 2 층.(4)

산화물 필름은 개별 입자로 구성 됩니다. Wang et al [36] 은 Mg-alloy 표면 필름을 SF 6 커버 가스 하에서 용융물에 교반 한 다음 응고 후 동반된 표면 필름을 검사했습니다. 그들은 동반된 표면 필름이 다른 연구자들이 보고한 보호 표면 필름처럼 계속되지 않고 개별 입자로 구성된다는 것을 발견했습니다. 젊은 산화막은 MgO 나노 크기의 산화물 입자로 구성되어 있는 반면, 오래된 산화막은 한쪽 면에 불화물과 질화물이 포함된 거친 입자(평균 크기 약 1μm)로 구성되어 있습니다.

Mg 합금 용융 표면의 산화막 또는 동반 가스는 모두 액체 Mg 합금과 커버 가스 사이의 반응으로 인해 형성되므로 Mg 합금 표면막에 대한 위에서 언급한 연구는 진화에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 연행 결함. 따라서 SF 6 커버 가스 의 보호 메커니즘 (즉, Mg-합금 표면 필름의 형성)은 해당 동반 결함의 잠재적인 복잡한 진화 과정을 나타냅니다.

그러나 Mg 합금 용융물에 표면 필름을 형성하는 것은 용융물에 잠긴 동반된 가스의 소비와 다른 상황에 있다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 앞서 언급한 연구에서 표면 성막 동안 충분한 양의 커버 가스가 담지되어 커버 가스의 고갈을 억제했습니다. 대조적으로, Mg 합금 용융물 내의 동반된 가스의 양은 유한하며, 동반된 가스는 완전히 고갈될 수 있습니다. Mirak [37] 은 3.5% SF 6 /기포를 특별히 설계된 영구 금형에서 응고되는 순수한 Mg 합금 용융물에 도입했습니다. 기포가 완전히 소모되었으며, 해당 산화막은 MgO와 MgF 2 의 혼합물임을 알 수 있었다.. 그러나 Aarstad [32] 및 Xiong [25 , 33]에 의해 관찰된 MgF 2 스팟 과 같은 핵 생성 사이트 는 관찰되지 않았습니다. Mirak은 또한 조성 분석을 기반으로 산화막에서 MgO 이전에 MgF 2 가 형성 되었다고 추측했는데 , 이는 이전 문헌에서 보고된 표면 필름 형성 과정(즉, MgF 2 이전에 형성된 MgO)과 반대 입니다. Mirak의 연구는 동반된 가스의 산화막 형성이 표면막의 산화막 형성과 상당히 다를 수 있음을 나타내었지만 산화막의 구조와 진화에 대해서는 밝히지 않았습니다.

또한 커버 가스에 캐리어 가스를 사용하는 것도 커버 가스와 액체 Mg 합금 사이의 반응에 영향을 미쳤습니다. SF 6 /air 는 용융 마그네슘의 점화를 피하기 위해 SF 6 /CO 2 운반 가스 [38] 보다 더 높은 함량의 SF 6을 필요로 하여 다른 가스 소비율을 나타냅니다. Liang et.al [39] 은 CO 2 가 캐리어 가스로 사용될 때 표면 필름에 탄소가 형성된다고 제안했는데 , 이는 SF 6 /air 에서 형성된 필름과 다릅니다 . Mg 연소 [40]에 대한 조사 에서 Mg 2 C 3 검출이 보고되었습니다.CO 2 연소 후 Mg 합금 샘플 에서 이는 Liang의 결과를 뒷받침할 뿐만 아니라 이중 산화막 결함에서 Mg 탄화물의 잠재적 형성을 나타냅니다.

여기에 보고된 작업은 다양한 커버 가스(즉, SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 )로 보호되는 AZ91 Mg 합금 주물에서 형성된 연행 결함의 거동과 진화에 대한 조사 입니다. 이러한 캐리어 가스는 액체 Mg 합금에 대해 다른 보호성을 가지며, 따라서 상응하는 동반 가스의 다른 소비율 및 발생 프로세스와 관련될 수 있습니다. AZ91 주물의 재현성에 대한 동반 가스 소비의 영향도 연구되었습니다.

2 . 실험

2.1 . 용융 및 주조

3kg의 AZ91 합금을 700 ± 5 °C의 연강 도가니에서 녹였습니다. AZ91 합금의 조성은 표 1 에 나타내었다 . 가열하기 전에 잉곳 표면의 모든 산화물 스케일을 기계가공으로 제거했습니다. 사용 된 커버 가스는 0.5 %이었다 SF 6 / 공기 또는 0.5 % SF 6 / CO 2 (부피. %) 다른 주물 6L / 분의 유량. 용융물은 15분 동안 0.3L/min의 유속으로 아르곤으로 가스를 제거한 다음 [41 , 42] , 모래 주형에 부었습니다. 붓기 전에 샌드 몰드 캐비티를 20분 동안 커버 가스로 플러싱했습니다 [22] . 잔류 용융물(약 1kg)이 도가니에서 응고되었습니다.

표 1 . 본 연구에 사용된 AZ91 합금의 조성(wt%).

알아연미네소타시철니마그네슘
9.40.610.150.020.0050.0017잔여

그림 1 (a)는 러너가 있는 주물의 치수를 보여줍니다. 탑 필링 시스템은 최종 주물에서 연행 결함을 생성하기 위해 의도적으로 사용되었습니다. Green과 Campbell [7 , 43] 은 탑 필링 시스템이 바텀 필링 시스템에 비해 주조 과정에서 더 많은 연행 현상(즉, 이중 필름)을 유발한다고 제안했습니다. 이 금형의 용융 흐름 시뮬레이션(Flow-3D 소프트웨어)은 연행 현상에 관한 Reilly의 모델 [44] 을 사용하여 최종 주조에 많은 양의 이중막이 포함될 것이라고 예측했습니다( 그림 1 에서 검은색 입자로 표시됨) . NS).

그림 1

수축 결함은 또한 주물의 기계적 특성과 재현성에 영향을 미칩니다. 이 연구는 주조 품질에 대한 이중 필름의 영향에 초점을 맞추었기 때문에 수축 결함이 발생하지 않도록 금형을 의도적으로 설계했습니다. ProCAST 소프트웨어를 사용한 응고 시뮬레이션은 그림 1c 와 같이 최종 주조에 수축 결함이 포함되지 않음을 보여주었습니다 . 캐스팅 건전함도 테스트바 가공 전 실시간 X-ray를 통해 확인했다.

모래 주형은 1wt를 함유한 수지 결합된 규사로 만들어졌습니다. % PEPSET 5230 수지 및 1wt. % PEPSET 5112 촉매. 모래는 또한 억제제로 작용하기 위해 2중량%의 Na 2 SiF 6 을 함유했습니다 .. 주입 온도는 700 ± 5 °C였습니다. 응고 후 러너바의 단면을 Sci-Lab Analytical Ltd로 보내 H 함량 분석(LECO 분석)을 하였고, 모든 H 함량 측정은 주조 공정 후 5일째에 실시하였다. 각각의 주물은 인장 강도 시험을 위해 클립 신장계가 있는 Zwick 1484 인장 시험기를 사용하여 40개의 시험 막대로 가공되었습니다. 파손된 시험봉의 파단면을 주사전자현미경(SEM, Philips JEOL7000)을 이용하여 가속전압 5~15kV로 조사하였다. 파손된 시험 막대, 도가니에서 응고된 잔류 Mg 합금 및 주조 러너를 동일한 SEM을 사용하여 단면화하고 연마하고 검사했습니다. CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM을 사용하여 FIB(집속 이온 빔 밀링 기술)에 의해 테스트 막대 파괴 표면에서 발견된 산화막의 단면을 노출했습니다. 분석에 필요한 산화막은 백금층으로 코팅하였다. 그런 다음 30kV로 가속된 갈륨 이온 빔이 산화막의 단면을 노출시키기 위해 백금 코팅 영역을 둘러싼 재료 기판을 밀링했습니다. 산화막 단면의 EDS 분석은 30kV의 가속 전압에서 FIB 장비를 사용하여 수행되었습니다.

2.2 . 산화 세포

전술 한 바와 같이, 몇몇 최근 연구자들은 마그네슘 합금의 용탕 표면에 형성된 보호막 조사 [38 , 39 , [46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] , [52 ] . 이 실험 동안 사용된 커버 가스의 양이 충분하여 커버 가스에서 불화물의 고갈을 억제했습니다. 이 섹션에서 설명하는 실험은 엔트레인먼트 결함의 산화막의 진화를 연구하기 위해 커버 가스의 공급을 제한하는 밀봉된 산화 셀을 사용했습니다. 산화 셀에 포함된 커버 가스는 큰 크기의 “동반된 기포”로 간주되었습니다.

도 2에 도시된 바와 같이 , 산화셀의 본체는 내부 길이가 400mm, 내경이 32mm인 폐쇄형 연강관이었다. 수냉식 동관을 전지의 상부에 감았습니다. 튜브가 가열될 때 냉각 시스템은 상부와 하부 사이에 온도 차이를 만들어 내부 가스가 튜브 내에서 대류하도록 했습니다. 온도는 도가니 상단에 위치한 K형 열전대로 모니터링했습니다. Nieet al. [53] 은 Mg 합금 용융물의 표면 피막을 조사할 때 SF 6 커버 가스가 유지로의 강철 벽과 반응할 것이라고 제안했습니다 . 이 반응을 피하기 위해 강철 산화 전지의 내부 표면(그림 2 참조)) 및 열전대의 상반부는 질화붕소로 코팅되었습니다(Mg 합금은 질화붕소와 ​​접촉하지 않았습니다).

그림 2

실험 중에 고체 AZ91 합금 블록을 산화 셀 바닥에 위치한 마그네시아 도가니에 넣었습니다. 전지는 1L/min의 가스 유속으로 전기 저항로에서 100℃로 가열되었다. 원래의 갇힌 대기(즉, 공기)를 대체하기 위해 셀을 이 온도에서 20분 동안 유지했습니다. 그런 다음, 산화 셀을 700°C로 더 가열하여 AZ91 샘플을 녹였습니다. 그런 다음 가스 입구 및 출구 밸브가 닫혀 제한된 커버 가스 공급 하에서 산화를 위한 밀폐된 환경이 생성되었습니다. 그런 다음 산화 전지를 5분 간격으로 5분에서 30분 동안 700 ± 10°C에서 유지했습니다. 각 유지 시간이 끝날 때 세포를 물로 켄칭했습니다. 실온으로 냉각한 후 산화된 샘플을 절단하고 연마한 다음 SEM으로 검사했습니다.

3 . 결과

3.1 . SF 6 /air 에서 형성된 엔트레인먼트 결함의 구조 및 구성

0.5 % SF의 커버 가스 하에서 AZ91 주물에 형성된 유입 결함의 구조 및 조성 6 / 공기는 SEM 및 EDS에 의해 관찰되었다. 결과는 그림 3에 스케치된 엔트레인먼트 결함의 두 가지 유형이 있음을 나타냅니다 . (1) 산화막이 전통적인 단층 구조를 갖는 유형 A 결함 및 (2) 산화막이 2개 층을 갖는 유형 B 결함. 이러한 결함의 세부 사항은 다음에 소개되었습니다. 여기에서 비말동반 결함은 생물막 또는 이중 산화막으로도 알려져 있기 때문에 B형 결함의 산화막은 본 연구에서 “다층 산화막” 또는 “다층 구조”로 언급되었습니다. “이중 산화막 결함의 이중층 산화막”과 같은 혼란스러운 설명을 피하기 위해.

그림 3

그림 4 (ab)는 약 0.4μm 두께의 조밀한 단일층 산화막을 갖는 Type A 결함을 보여줍니다. 이 필름에서 산소, 불소, 마그네슘 및 알루미늄이 검출되었습니다( 그림 4c). 산화막은 마그네슘과 알루미늄의 산화물과 불화물의 혼합물로 추측됩니다. 불소의 검출은 동반된 커버 가스가 이 결함의 형성에 포함되어 있음을 보여주었습니다. 즉, Fig. 4 (a)에 나타난 기공 은 수축결함이나 수소기공도가 아니라 연행결함이었다. 알루미늄의 검출은 Xiong과 Wang의 이전 연구 [47 , 48] 와 다르며 , SF 6으로 보호된 AZ91 용융물의 표면 필름에 알루미늄이 포함되어 있지 않음을 보여주었습니다.커버 가스. 유황은 원소 맵에서 명확하게 인식할 수 없었지만 해당 ESD 스펙트럼에서 S-피크가 있었습니다.

그림 4

도 5 (ab)는 다층 산화막을 갖는 Type B 엔트레인먼트 결함을 나타낸다. 산화막의 조밀한 외부 층은 불소와 산소가 풍부하지만( 그림 5c) 상대적으로 다공성인 내부 층은 산소만 풍부하고(즉, 불소가 부족) 부분적으로 함께 성장하여 샌드위치 모양을 형성합니다. 구조. 따라서 외층은 불화물과 산화물의 혼합물이며 내층은 주로 산화물로 추정된다. 황은 EDX 스펙트럼에서만 인식될 수 있었고 요소 맵에서 명확하게 식별할 수 없었습니다. 이는 커버 가스의 작은 S 함량(즉, SF 6 의 0.5% 부피 함량 때문일 수 있음)커버 가스). 이 산화막에서는 이 산화막의 외층에 알루미늄이 포함되어 있지만 내층에서는 명확하게 검출할 수 없었다. 또한 Al의 분포가 고르지 않은 것으로 보입니다. 결함의 우측에는 필름에 알루미늄이 존재하지만 그 농도는 매트릭스보다 높은 것으로 식별할 수 없음을 알 수 있다. 그러나 결함의 왼쪽에는 알루미늄 농도가 훨씬 높은 작은 영역이 있습니다. 이러한 알루미늄의 불균일한 분포는 다른 결함(아래 참조)에서도 관찰되었으며, 이는 필름 내부 또는 아래에 일부 산화물 입자가 형성된 결과입니다.

그림 5

무화과 도 4 및 5 는 SF 6 /air 의 커버 가스 하에 주조된 AZ91 합금 샘플에서 형성된 연행 결함의 횡단면 관찰을 나타낸다 . 2차원 단면에서 관찰된 수치만으로 연행 결함을 특성화하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 더 많은 이해를 돕기 위해 테스트 바의 파단면을 관찰하여 엔트레인먼트 결함(즉, 산화막)의 표면을 더 연구했습니다.

Fig. 6 (a)는 SF 6 /air 에서 생산된 AZ91 합금 인장시험봉의 파단면을 보여준다 . 파단면의 양쪽에서 대칭적인 어두운 영역을 볼 수 있습니다. 그림 6 (b)는 어두운 영역과 밝은 영역 사이의 경계를 보여줍니다. 밝은 영역은 들쭉날쭉하고 부서진 특징으로 구성되어 있는 반면, 어두운 영역의 표면은 비교적 매끄럽고 평평했습니다. 또한 EDS 결과( Fig. 6 c-d 및 Table 2) 불소, 산소, 황 및 질소는 어두운 영역에서만 검출되었으며, 이는 어두운 영역이 용융물에 동반된 표면 보호 필름임을 나타냅니다. 따라서 어두운 영역은 대칭적인 특성을 고려할 때 연행 결함이라고 제안할 수 있습니다. Al-합금 주조물의 파단면에서 유사한 결함이 이전에 보고되었습니다 [7] . 질화물은 테스트 바 파단면의 산화막에서만 발견되었지만 그림 1과 그림 4에 표시된 단면 샘플에서는 검출되지 않았습니다 . 4 및 5 . 근본적인 이유는 이러한 샘플에 포함된 질화물이 샘플 연마 과정에서 가수분해되었을 수 있기 때문입니다 [54] .

그림 6

표 2 . EDS 결과(wt.%)는 그림 6에 표시된 영역에 해당합니다 (커버 가스: SF 6 /공기).

씨영형마그네슘NS알아연NSNS
그림 6 (b)의 어두운 영역3.481.3279.130.4713.630.570.080.73
그림 6 (b)의 밝은 영역3.58–84.48–11.250.68––

도 1 및 도 2에 도시된 결함의 단면 관찰과 함께 . 도 4 및 도 5 를 참조하면, 인장 시험봉에 포함된 연행 결함의 구조를 도 6 (e) 와 같이 스케치하였다 . 결함에는 산화막으로 둘러싸인 동반된 가스가 포함되어 있어 테스트 바 내부에 보이드 섹션이 생성되었습니다. 파괴 과정에서 결함에 인장력이 가해지면 균열이 가장 약한 경로를 따라 전파되기 때문에 보이드 섹션에서 균열이 시작되어 연행 결함을 따라 전파됩니다 [55] . 따라서 최종적으로 시험봉이 파단되었을 때 Fig. 6 (a) 와 같이 시험봉의 양 파단면에 연행결함의 산화피막이 나타났다 .

3.2 . SF 6 /CO 2 에 형성된 연행 결함의 구조 및 조성

SF 6 /air 에서 형성된 엔트레인먼트 결함과 유사하게, 0.5% SF 6 /CO 2 의 커버 가스 아래에서 형성된 결함 도 두 가지 유형의 산화막(즉, 단층 및 다층 유형)을 가졌다. 도 7 (a)는 다층 산화막을 포함하는 엔트레인먼트 결함의 예를 도시한다. 결함에 대한 확대 관찰( 그림 7b )은 산화막의 내부 층이 함께 성장하여 SF 6 /air 의 분위기에서 형성된 결함과 유사한 샌드위치 같은 구조를 나타냄을 보여줍니다 ( 그림 7b). 5 나 ). EDS 스펙트럼( 그림 7c) 이 샌드위치형 구조의 접합부(내층)는 주로 산화마그네슘을 함유하고 있음을 보여주었다. 이 EDS 스펙트럼에서는 불소, 황, 알루미늄의 피크가 확인되었으나 그 양은 상대적으로 적었다. 대조적으로, 산화막의 외부 층은 조밀하고 불화물과 산화물의 혼합물로 구성되어 있습니다( 그림 7d-e).

그림 7

Fig. 8 (a)는 0.5%SF 6 /CO 2 분위기에서 제작된 AZ91 합금 인장시험봉의 파단면의 연행결함을 보여준다 . 상응하는 EDS 결과(표 3)는 산화막이 불화물과 산화물을 함유함을 보여주었다. 황과 질소는 검출되지 않았습니다. 게다가, 확대 관찰( 도 8b)은 산화막 표면에 반점을 나타내었다. 반점의 직경은 수백 나노미터에서 수 마이크론 미터까지 다양했습니다.

그림 8

산화막의 구조와 조성을 보다 명확하게 나타내기 위해 테스트 바 파단면의 산화막 단면을 FIB 기법을 사용하여 현장에서 노출시켰다( 그림 9 ). 도 9a에 도시된 바와 같이 , 백금 코팅층과 Mg-Al 합금 기재 사이에 연속적인 산화피막이 발견되었다. 그림 9 (bc)는 다층 구조( 그림 9c 에서 빨간색 상자로 표시)를 나타내는 산화막에 대한 확대 관찰을 보여줍니다 . 바닥층은 불소와 산소가 풍부하고 불소와 산화물의 혼합물이어야 합니다 . 5 와 7, 유일한 산소가 풍부한 최상층은 도 1 및 도 2에 도시 된 “내층”과 유사하였다 . 5 및 7 .

그림 9

연속 필름을 제외하고 도 9 에 도시된 바와 같이 연속 필름 내부 또는 하부에서도 일부 개별 입자가 관찰되었다 . 그림 9( b) 의 산화막 좌측에서 Al이 풍부한 입자가 검출되었으며, 마그네슘과 산소 원소도 풍부하게 함유하고 있어 스피넬 Mg 2 AlO 4 로 추측할 수 있다 . 이러한 Mg 2 AlO 4 입자의 존재는 Fig. 5 와 같이 관찰된 필름의 작은 영역에 높은 알루미늄 농도와 알루미늄의 불균일한 분포의 원인이 된다 .(씨). 여기서 강조되어야 할 것은 연속 산화막의 바닥층의 다른 부분이 이 Al이 풍부한 입자보다 적은 양의 알루미늄을 함유하고 있지만, 그림 9c는 이 바닥층의 알루미늄 양이 여전히 무시할 수 없는 수준임을 나타냅니다 . , 특히 필름의 외층과 비교할 때. 도 9b에 도시된 산화막의 우측 아래에서 입자가 검출되어 Mg와 O가 풍부하여 MgO인 것으로 추측되었다. Wang의 결과에 따르면 [56], Mg 용융물과 Mg 증기의 산화에 의해 Mg 용융물의 표면에 많은 이산 MgO 입자가 형성될 수 있다. 우리의 현재 연구에서 관찰된 MgO 입자는 같은 이유로 인해 형성될 수 있습니다. 실험 조건의 차이로 인해 더 적은 Mg 용융물이 기화되거나 O2와 반응할 수 있으므로 우리 작업에서 형성되는 MgO 입자는 소수에 불과합니다. 또한 필름에서 풍부한 탄소가 발견되어 CO 2 가 용융물과 반응하여 탄소 또는 탄화물을 형성할 수 있음을 보여줍니다 . 이 탄소 농도는 표 3에 나타낸 산화막의 상대적으로 높은 탄소 함량 (즉, 어두운 영역) 과 일치하였다 . 산화막 옆 영역.

표 3 . 도 8에 도시된 영역에 상응하는 EDS 결과(wt.%) (커버 가스: SF 6 / CO 2 ).

씨영형마그네슘NS알아연NSNS
그림 8 (a)의 어두운 영역7.253.6469.823.827.030.86––
그림 8 (a)의 밝은 영역2.100.4482.83–13.261.36––

테스트 바 파단면( 도 9 ) 에서 산화막의 이 단면 관찰은 도 6 (e)에 도시된 엔트레인먼트 결함의 개략도를 추가로 확인했다 . SF 6 /CO 2 와 SF 6 /air 의 서로 다른 분위기에서 형성된 엔트레인먼트 결함 은 유사한 구조를 가졌지만 그 조성은 달랐다.

3.3 . 산화 전지에서 산화막의 진화

섹션 3.1 및 3.2 의 결과 는 SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 의 커버 가스 아래에서 AZ91 주조에서 형성된 연행 결함의 구조 및 구성을 보여줍니다 . 산화 반응의 다른 단계는 연행 결함의 다른 구조와 조성으로 이어질 수 있습니다. Campbell은 동반된 가스가 주변 용융물과 반응할 수 있다고 추측했지만 Mg 합금 용융물과 포획된 커버 가스 사이에 반응이 발생했다는 보고는 거의 없습니다. 이전 연구자들은 일반적으로 개방된 환경에서 Mg 합금 용융물과 커버 가스 사이의 반응에 초점을 맞췄습니다 [38 , 39 , [46] , [47], [48] , [49] , [50] , [51] , [52] , 이는 용융물에 갇힌 커버 가스의 상황과 다릅니다. AZ91 합금에서 엔트레인먼트 결함의 형성을 더 이해하기 위해 엔트레인먼트 결함의 산화막의 진화 과정을 산화 셀을 사용하여 추가로 연구했습니다.

.도 10 (a 및 d) 0.5 % 방송 SF 보호 산화 셀에서 5 분 동안 유지 된 표면 막 (6) / 공기. 불화물과 산화물(MgF 2 와 MgO) 로 이루어진 단 하나의 층이 있었습니다 . 이 표면 필름에서. 황은 EDS 스펙트럼에서 검출되었지만 그 양이 너무 적어 원소 맵에서 인식되지 않았습니다. 이 산화막의 구조 및 조성은 도 4 에 나타낸 엔트레인먼트 결함의 단층막과 유사하였다 .

그림 10

10분의 유지 시간 후, 얇은 (O,S)가 풍부한 상부층(약 700nm)이 예비 F-농축 필름에 나타나 그림 10 (b 및 e) 에서와 같이 다층 구조를 형성했습니다 . ). (O, S)가 풍부한 최상층의 두께는 유지 시간이 증가함에 따라 증가했습니다. Fig. 10 (c, f) 에서 보는 바와 같이 30분간 유지한 산화막도 다층구조를 가지고 있으나 (O,S)가 풍부한 최상층(약 2.5μm)의 두께가 10분 산화막의 그것. 도 10 (bc) 에 도시 된 다층 산화막 은 도 5에 도시된 샌드위치형 결함의 막과 유사한 외관을 나타냈다 .

도 10에 도시된 산화막의 상이한 구조는 커버 가스의 불화물이 AZ91 합금 용융물과의 반응으로 인해 우선적으로 소모될 것임을 나타내었다. 불화물이 고갈된 후, 잔류 커버 가스는 액체 AZ91 합금과 추가로 반응하여 산화막에 상부 (O, S)가 풍부한 층을 형성했습니다. 따라서 도 1 및 도 3에 도시된 연행 결함의 상이한 구조 및 조성 . 4 와 5 는 용융물과 갇힌 커버 가스 사이의 진행 중인 산화 반응 때문일 수 있습니다.

이 다층 구조는 Mg 합금 용융물에 형성된 보호 표면 필름에 관한 이전 간행물 [38 , [46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] 에서 보고되지 않았습니다 . . 이는 이전 연구원들이 무제한의 커버 가스로 실험을 수행했기 때문에 커버 가스의 불화물이 고갈되지 않는 상황을 만들었기 때문일 수 있습니다. 따라서 엔트레인먼트 결함의 산화피막은 도 10에 도시된 산화피막과 유사한 거동특성을 가지나 [38 ,[46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] .

SF 유지 산화막와 마찬가지로 6 / 공기, SF에 형성된 산화물 막 (6) / CO 2는 또한 세포 산화 다른 유지 시간과 다른 구조를 가지고 있었다. .도 11 (a)는 AZ91 개최 산화막, 0.5 %의 커버 가스 하에서 SF 표면 용융 도시 6 / CO 2, 5 분. 이 필름은 MgF 2 로 이루어진 단층 구조를 가졌다 . 이 영화에서는 MgO의 존재를 확인할 수 없었다. 30분의 유지 시간 후, 필름은 다층 구조를 가졌다; 내부 층은 조밀하고 균일한 외관을 가지며 MgF 2 로 구성 되고 외부 층은 MgF 2 혼합물및 MgO. 0.5%SF 6 /air 에서 형성된 표면막과 다른 이 막에서는 황이 검출되지 않았다 . 따라서, 0.5%SF 6 /CO 2 의 커버 가스 내의 불화물 도 막 성장 과정의 초기 단계에서 우선적으로 소모되었다. SF 6 /air 에서 형성된 막과 비교하여 SF 6 /CO 2 에서 형성된 막에서 MgO 는 나중에 나타났고 황화물은 30분 이내에 나타나지 않았다. 이는 SF 6 /air 에서 필름의 형성과 진화 가 SF 6 /CO 2 보다 빠르다 는 것을 의미할 수 있습니다 . CO 2 후속적으로 용융물과 반응하여 MgO를 형성하는 반면, 황 함유 화합물은 커버 가스에 축적되어 반응하여 매우 늦은 단계에서 황화물을 형성할 수 있습니다(산화 셀에서 30분 후).

그림 11

4 . 논의

4.1 . SF 6 /air 에서 형성된 연행 결함의 진화

Outokumpu HSC Chemistry for Windows( http://www.hsc-chemistry.net/ )의 HSC 소프트웨어를 사용하여 갇힌 기체와 액체 AZ91 합금 사이에서 발생할 수 있는 반응을 탐색하는 데 필요한 열역학 계산을 수행했습니다. 계산에 대한 솔루션은 소량의 커버 가스(즉, 갇힌 기포 내의 양)와 AZ91 합금 용융물 사이의 반응 과정에서 어떤 생성물이 가장 형성될 가능성이 있는지 제안합니다.

실험에서 압력은 1기압으로, 온도는 700°C로 설정했습니다. 커버 가스의 사용량은 7 × 10으로 가정 하였다 -7  약 0.57 cm의 양으로 kg 3 (3.14 × 10 -6  0.5 % SF위한 kmol) 6 / 공기, 0.35 cm (3) (3.12 × 10 – 8  kmol) 0.5%SF 6 /CO 2 . 포획된 가스와 접촉하는 AZ91 합금 용융물의 양은 모든 반응을 완료하기에 충분한 것으로 가정되었습니다. SF 6 의 분해 생성물 은 SF 5 , SF 4 , SF 3 , SF 2 , F 2 , S(g), S 2(g) 및 F(g) [57] , [58] , [59] , [60] .

그림 12 는 AZ91 합금과 0.5%SF 6 /air 사이의 반응에 대한 열역학적 계산의 평형 다이어그램을 보여줍니다 . 다이어그램에서 10 -15  kmol 미만의 반응물 및 생성물은 표시되지 않았습니다. 이는 존재 하는 SF 6 의 양 (≈ 1.57 × 10 -10  kmol) 보다 5배 적 으므로 영향을 미치지 않습니다. 실제적인 방법으로 과정을 관찰했습니다.

그림 12

이 반응 과정은 3단계로 나눌 수 있다.

1단계 : 불화물의 형성. AZ91 용융물은 SF 6 및 그 분해 생성물과 우선적으로 반응하여 MgF 2 , AlF 3 및 ZnF 2 를 생성 합니다. 그러나 ZnF 2 의 양 이 너무 적어서 실제적으로 검출되지  않았을 수 있습니다(  MgF 2 의 3 × 10 -10 kmol에 비해 ZnF 2 1.25 × 10 -12 kmol ). 섹션 3.1 – 3.3에 표시된 모든 산화막 . 한편, 잔류 가스에 황이 SO 2 로 축적되었다 .

2단계 : 산화물의 형성. 액체 AZ91 합금이 포획된 가스에서 사용 가능한 모든 불화물을 고갈시킨 후, Mg와의 반응으로 인해 AlF 3 및 ZnF 2 의 양이 빠르게 감소했습니다. O 2 (g) 및 SO 2 는 AZ91 용융물과 반응하여 MgO, Al 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , ZnO, ZnSO 4 및 MgSO 4 를 형성 합니다. 그러나 ZnO 및 ZnSO 4 의 양은 EDS에 의해 실제로 발견되기에는 너무 적었을 것입니다(예: 9.5 × 10 -12  kmol의 ZnO, 1.38 × 10 -14  kmol의 ZnSO 4 , 대조적으로 4.68 × 10−10  kmol의 MgF 2 , X 축의 AZ91 양 이 2.5 × 10 -9  kmol일 때). 실험 사례에서 커버 가스의 F 농도는 매우 낮고 전체 농도 f O는 훨씬 높습니다. 따라서 1단계와 2단계, 즉 불화물과 산화물의 형성은 반응 초기에 동시에 일어나 그림 1과 2와 같이 불화물과 산화물의 가수층 혼합물이 형성될 수 있다 . 4 및 10 (a). 내부 층은 산화물로 구성되어 있지만 불화물은 커버 가스에서 F 원소가 완전히 고갈된 후에 형성될 수 있습니다.

단계 1-2는 도 10 에 도시 된 다층 구조의 형성 과정을 이론적으로 검증하였다 .

산화막 내의 MgAl 2 O 4 및 Al 2 O 3 의 양은 도 4에 도시된 산화막과 일치하는 검출하기에 충분한 양이었다 . 그러나, 도 10 에 도시된 바와 같이, 산화셀에서 성장된 산화막에서는 알루미늄의 존재를 인식할 수 없었다 . 이러한 Al의 부재는 표면 필름과 AZ91 합금 용융물 사이의 다음 반응으로 인한 것일 수 있습니다.(1)

Al 2 O 3  + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700°C) = -119.82 kJ/mol(2)

Mg + MgAl 2 O 4  = MgO + Al, △G(700°C) = -106.34 kJ/mol이는 반응물이 서로 완전히 접촉한다는 가정 하에 열역학적 계산이 수행되었기 때문에 HSC 소프트웨어로 시뮬레이션할 수 없었습니다. 그러나 실제 공정에서 AZ91 용융물과 커버 가스는 보호 표면 필름의 존재로 인해 서로 완전히 접촉할 수 없습니다.

3단계 : 황화물과 질화물의 형성. 30분의 유지 시간 후, 산화 셀의 기상 불화물 및 산화물이 고갈되어 잔류 가스와 용융 반응을 허용하여 초기 F-농축 또는 (F, O )이 풍부한 표면 필름, 따라서 그림 10 (b 및 c)에 표시된 관찰된 다층 구조를 생성합니다 . 게다가, 질소는 모든 반응이 완료될 때까지 AZ91 용융물과 반응했습니다. 도 6 에 도시 된 산화막 은 질화물 함량으로 인해 이 반응 단계에 해당할 수 있다. 그러나, 그 결과는 도 1 및 도 5에 도시 된 연마된 샘플에서 질화물이 검출되지 않음을 보여준다. 4 와 5, 그러나 테스트 바 파단면에서만 발견됩니다. 질화물은 다음과 같이 샘플 준비 과정에서 가수분해될 수 있습니다 [54] .(삼)

Mg 3 N 2  + 6H 2 O = 3Mg(OH) 2  + 2NH 3 ↑(4)

AlN+ 3H 2 O = Al(OH) 3  + NH 3 ↑

또한 Schmidt et al. [61] 은 Mg 3 N 2 와 AlN이 반응하여 3원 질화물(Mg 3 Al n N n+2, n=1, 2, 3…) 을 형성할 수 있음을 발견했습니다 . HSC 소프트웨어에는 삼원 질화물 데이터베이스가 포함되어 있지 않아 계산에 추가할 수 없습니다. 이 단계의 산화막은 또한 삼원 질화물을 포함할 수 있습니다.

4.2 . SF 6 /CO 2 에서 형성된 연행 결함의 진화

도 13 은 AZ91 합금과 0.5%SF 6 /CO 2 사이의 열역학적 계산 결과를 보여준다 . 이 반응 과정도 세 단계로 나눌 수 있습니다.

그림 13

1단계 : 불화물의 형성. SF 6 및 그 분해 생성물은 AZ91 용융물에 의해 소비되어 MgF 2 , AlF 3 및 ZnF 2 를 형성했습니다 . 0.5% SF 6 /air 에서 AZ91의 반응에서와 같이 ZnF 2 의 양 이 너무 작아서 실제적으로 감지되지  않았습니다( 2.67 x 10 -10  kmol의 MgF 2 에 비해 ZnF 2 1.51 x 10 -13 kmol ). S와 같은 잔류 가스 트랩에 축적 유황 2 (g) 및 (S)의 일부분 (2) (g)가 CO와 반응하여 2 SO 형성하는 2및 CO. 이 반응 단계의 생성물은 도 11 (a)에 도시된 필름과 일치하며 , 이는 불화물만을 함유하는 단일 층 구조를 갖는다.

2단계 : 산화물의 형성. ALF 3 및 ZnF 2 MgF로 형성 용융 AZ91 마그네슘의 반응 2 , Al 및 Zn으로한다. SO 2 는 소모되기 시작하여 표면 필름에 산화물을 생성 하고 커버 가스에 S 2 (g)를 생성했습니다. 한편, CO 2 는 AZ91 용융물과 직접 반응하여 CO, MgO, ZnO 및 Al 2 O 3 를 형성 합니다. 도 1에 도시 된 산화막 . 9 및 11 (b)는 산소가 풍부한 층과 다층 구조로 인해 이 반응 단계에 해당할 수 있습니다.

커버 가스의 CO는 AZ91 용융물과 추가로 반응하여 C를 생성할 수 있습니다. 이 탄소는 온도가 감소할 때(응고 기간 동안) Mg와 추가로 반응하여 Mg 탄화물을 형성할 수 있습니다 [62] . 이것은 도 4에 도시된 산화막의 탄소 함량이 높은 이유일 수 있다 . 8 – 9 . Liang et al. [39] 또한 SO 2 /CO 2 로 보호된 AZ91 합금 표면 필름에서 탄소 검출을 보고했습니다 . 생성된 Al 2 O 3 는 MgO와 더 결합하여 MgAl 2 O 4 [63]를 형성할 수 있습니다 . 섹션 4.1 에서 논의된 바와 같이, 알루미나 및 스피넬은 도 11 에 도시된 바와 같이 표면 필름에 알루미늄 부재를 야기하는 Mg와 반응할 수 있다 .

3단계 : 황화물의 형성. AZ91은 용융물 S 소비하기 시작 2 인 ZnS와 MGS 형성 갇힌 잔류 가스 (g)를. 이러한 반응은 반응 과정의 마지막 단계까지 일어나지 않았으며, 이는 Fig. 7 (c)에 나타난 결함의 S-함량 이 적은 이유일 수 있다 .

요약하면, 열역학적 계산은 AZ91 용융물이 커버 가스와 반응하여 먼저 불화물을 형성한 다음 마지막에 산화물과 황화물을 형성할 것임을 나타냅니다. 다른 반응 단계에서 산화막은 다른 구조와 조성을 가질 것입니다.

4.3 . 운반 가스가 동반 가스 소비 및 AZ91 주물의 재현성에 미치는 영향

SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 에서 형성된 연행 결함의 진화 과정은 4.1절 과 4.2 절 에서 제안되었습니다 . 이론적인 계산은 실제 샘플에서 발견되는 해당 산화막과 관련하여 검증되었습니다. 연행 결함 내의 대기는 Al-합금 시스템과 다른 시나리오에서 액체 Mg-합금과의 반응으로 인해 효율적으로 소모될 수 있습니다(즉, 연행된 기포의 질소가 Al-합금 용융물과 효율적으로 반응하지 않을 것입니다 [64 , 65] 그러나 일반적으로 “질소 연소”라고 하는 액체 Mg 합금에서 질소가 더 쉽게 소모될 것입니다 [66] ).

동반된 가스와 주변 액체 Mg-합금 사이의 반응은 동반된 가스를 산화막 내에서 고체 화합물(예: MgO)로 전환하여 동반 결함의 공극 부피를 감소시켜 결함(예: 공기의 동반된 가스가 주변의 액체 Mg 합금에 의해 고갈되면 용융 온도가 700 °C이고 액체 Mg 합금의 깊이가 10 cm라고 가정할 때 최종 고체 제품의 총 부피는 0.044가 됩니다. 갇힌 공기가 취한 초기 부피의 %).

연행 결함의 보이드 부피 감소와 해당 주조 특성 사이의 관계는 알루미늄 합금 주조에서 널리 연구되었습니다. Nyahumwa와 Campbell [16] 은 HIP(Hot Isostatic Pressing) 공정이 Al-합금 주물의 연행 결함이 붕괴되고 산화물 표면이 접촉하게 되었다고 보고했습니다. 주물의 피로 수명은 HIP 이후 개선되었습니다. Nyahumwa와 Campbell [16] 도 서로 접촉하고 있는 이중 산화막의 잠재적인 결합을 제안했지만 이를 뒷받침하는 직접적인 증거는 없었습니다. 이 결합 현상은 Aryafar et.al에 의해 추가로 조사되었습니다. [8], 그는 강철 튜브에서 산화물 스킨이 있는 두 개의 Al-합금 막대를 다시 녹인 다음 응고된 샘플에 대해 인장 강도 테스트를 수행했습니다. 그들은 Al-합금 봉의 산화물 스킨이 서로 강하게 결합되어 용융 유지 시간이 연장됨에 따라 더욱 강해짐을 발견했으며, 이는 이중 산화막 내 동반된 가스의 소비로 인한 잠재적인 “치유” 현상을 나타냅니다. 구조. 또한 Raidszadeh와 Griffiths [9 , 19] 는 연행 가스가 반응하는 데 더 긴 시간을 갖도록 함으로써 응고 전 용융 유지 시간을 연장함으로써 Al-합금 주물의 재현성에 대한 연행 결함의 부정적인 영향을 성공적으로 줄였습니다. 주변이 녹습니다.

앞서 언급한 연구를 고려할 때, Mg 합금 주물에서 혼입 가스의 소비는 다음 두 가지 방식으로 혼입 결함의 부정적인 영향을 감소시킬 수 있습니다.

(1) 이중 산화막의 결합 현상 . 도 5 및 도 7 에 도시 된 샌드위치형 구조 는 이중 산화막 구조의 잠재적인 결합을 나타내었다. 그러나 산화막의 결합으로 인한 강도 증가를 정량화하기 위해서는 더 많은 증거가 필요합니다.

(2) 연행 결함의 보이드 체적 감소 . 주조품의 품질에 대한 보이드 부피 감소의 긍정적인 효과는 HIP 프로세스 [67]에 의해 널리 입증되었습니다 . 섹션 4.1 – 4.2 에서 논의된 진화 과정과 같이 , 동반된 가스와 주변 AZ91 합금 용융물 사이의 지속적인 반응으로 인해 동반 결함의 산화막이 함께 성장할 수 있습니다. 최종 고체 생성물의 부피는 동반된 기체에 비해 상당히 작았다(즉, 이전에 언급된 바와 같이 0.044%).

따라서, 혼입 가스의 소모율(즉, 산화막의 성장 속도)은 AZ91 합금 주물의 품질을 향상시키는 중요한 매개변수가 될 수 있습니다. 이에 따라 산화 셀의 산화막 성장 속도를 추가로 조사했습니다.

도 14 는 상이한 커버 가스(즉, 0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 ) 에서의 표면 필름 성장 속도의 비교를 보여준다 . 필름 두께 측정을 위해 각 샘플의 15개의 임의 지점을 선택했습니다. 95% 신뢰구간(95%CI)은 막두께의 변화가 가우시안 분포를 따른다는 가정하에 계산하였다. 0.5%SF 6 /air 에서 형성된 모든 표면막이 0.5%SF 6 /CO 2 에서 형성된 것보다 빠르게 성장함을 알 수 있다 . 다른 성장률은 0.5%SF 6 /air 의 연행 가스 소비율 이 0.5%SF 6 /CO 2 보다 더 높음 을 시사했습니다., 이는 동반된 가스의 소비에 더 유리했습니다.

그림 14

산화 셀에서 액체 AZ91 합금과 커버 가스의 접촉 면적(즉, 도가니의 크기)은 많은 양의 용융물과 가스를 고려할 때 상대적으로 작았다는 점에 유의해야 합니다. 결과적으로, 산화 셀 내에서 산화막 성장을 위한 유지 시간은 비교적 길었다(즉, 5-30분). 하지만, 실제 주조에 함유 된 혼입 결함은 (상대적으로 매우 적은, 즉, 수 미크론의 크기에 도시 된 바와 같이 ,도 3. – 6 및 [7]), 동반된 가스는 주변 용융물로 완전히 둘러싸여 상대적으로 큰 접촉 영역을 생성합니다. 따라서 커버 가스와 AZ91 합금 용융물의 반응 시간은 비교적 짧을 수 있습니다. 또한 실제 Mg 합금 모래 주조의 응고 시간은 몇 분일 수 있습니다(예: Guo [68] 은 직경 60mm의 Mg 합금 모래 주조가 응고되는 데 4분이 필요하다고 보고했습니다). 따라서 Mg-합금 용융주조 과정에서 포획된 동반된 가스는 특히 응고 시간이 긴 모래 주물 및 대형 주물의 경우 주변 용융물에 의해 쉽게 소모될 것으로 예상할 수 있습니다.

따라서, 동반 가스의 다른 소비율과 관련된 다른 커버 가스(0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 )가 최종 주물의 재현성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 가정을 검증하기 위해 0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 에서 생산된 AZ91 주물 을 기계적 평가를 위해 테스트 막대로 가공했습니다. Weibull 분석은 선형 최소 자승(LLS) 방법과 비선형 최소 자승(비 LLS) 방법을 모두 사용하여 수행되었습니다 [69] .

그림 15 (ab)는 LLS 방법으로 얻은 UTS 및 AZ91 합금 주물의 연신율의 전통적인 2-p 선형 Weibull 플롯을 보여줍니다. 사용된 추정기는 P= (i-0.5)/N이며, 이는 모든 인기 있는 추정기 중 가장 낮은 편향을 유발하는 것으로 제안되었습니다 [69 , 70] . SF 6 /air 에서 생산된 주물 은 UTS Weibull 계수가 16.9이고 연신율 Weibull 계수가 5.0입니다. 대조적으로, SF 6 /CO 2 에서 생산된 주물의 UTS 및 연신 Weibull 계수는 각각 7.7과 2.7로, SF 6 /CO 2 에 의해 보호된 주물의 재현성이 SF 6 /air 에서 생산된 것보다 훨씬 낮음을 시사합니다. .

그림 15

또한 저자의 이전 출판물 [69] 은 선형화된 Weibull 플롯의 단점을 보여주었으며, 이는 Weibull 추정 의 더 높은 편향과 잘못된 R 2 중단을 유발할 수 있습니다 . 따라서 그림 15 (cd) 와 같이 Non-LLS Weibull 추정이 수행되었습니다 . SF 6 /공기주조물 의 UTS Weibull 계수 는 20.8인 반면, SF 6 /CO 2 하에서 생산된 주조물의 UTS Weibull 계수는 11.4로 낮아 재현성에서 분명한 차이를 보였다. 또한 SF 6 /air elongation(El%) 데이터 세트는 SF 6 /CO 2 의 elongation 데이터 세트보다 더 높은 Weibull 계수(모양 = 5.8)를 가졌습니다.(모양 = 3.1). 따라서 LLS 및 Non-LLS 추정 모두 SF 6 /공기 주조가 SF 6 /CO 2 주조 보다 더 높은 재현성을 갖는다고 제안했습니다 . CO 2 대신 공기를 사용 하면 혼입된 가스의 더 빠른 소비에 기여하여 결함 내의 공극 부피를 줄일 수 있다는 방법을 지원합니다 . 따라서 0.5%SF 6 /CO 2 대신 0.5%SF 6 /air를 사용 하면(동반된 가스의 소비율이 증가함) AZ91 주물의 재현성이 향상되었습니다.

그러나 모든 Mg 합금 주조 공장이 현재 작업에서 사용되는 주조 공정을 따랐던 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. Mg의 합금 용탕 본 작업은 탈기에 따라서, 동반 가스의 소비에 수소의 영향을 감소 (즉, 수소 잠재적 동반 가스의 고갈 억제, 동반 된 기체로 확산 될 수있다 [7 , 71 , 72] ). 대조적으로, 마그네슘 합금 주조 공장에서는 마그네슘을 주조할 때 ‘가스 문제’가 없고 따라서 인장 특성에 큰 변화가 없다고 널리 믿어지기 때문에 마그네슘 합금 용융물은 일반적으로 탈기되지 않습니다 [73] . 연구에 따르면 Mg 합금 주물의 기계적 특성에 대한 수소의 부정적인 영향 [41 ,42 , 73] , 탈기 공정은 마그네슘 합금 주조 공장에서 여전히 인기가 없습니다.

또한 현재 작업에서 모래 주형 공동은 붓기 전에 SF 6 커버 가스 로 플러싱되었습니다 [22] . 그러나 모든 Mg 합금 주조 공장이 이러한 방식으로 금형 캐비티를 플러싱한 것은 아닙니다. 예를 들어, Stone Foundry Ltd(영국)는 커버 가스 플러싱 대신 유황 분말을 사용했습니다. 그들의 주물 내의 동반된 가스 는 보호 가스라기 보다는 SO 2 /공기일 수 있습니다 .

따라서 본 연구의 결과는 CO 2 대신 공기를 사용 하는 것이 최종 주조의 재현성을 향상시키는 것으로 나타났지만 다른 산업용 Mg 합금 주조 공정과 관련하여 캐리어 가스의 영향을 확인하기 위해서는 여전히 추가 조사가 필요합니다.

7 . 결론

1.

AZ91 합금에 형성된 연행 결함이 관찰되었습니다. 그들의 산화막은 단층과 다층의 두 가지 유형의 구조를 가지고 있습니다. 다층 산화막은 함께 성장하여 최종 주조에서 샌드위치 같은 구조를 형성할 수 있습니다.2.

실험 결과와 이론적인 열역학적 계산은 모두 갇힌 가스의 불화물이 황을 소비하기 전에 고갈되었음을 보여주었습니다. 이중 산화막 결함의 3단계 진화 과정이 제안되었습니다. 산화막은 진화 단계에 따라 다양한 화합물 조합을 포함했습니다. SF 6 /air 에서 형성된 결함 은 SF 6 /CO 2 에서 형성된 것과 유사한 구조를 갖지만 산화막의 조성은 달랐다. 엔트레인먼트 결함의 산화막 형성 및 진화 과정은 이전에 보고된 Mg 합금 표면막(즉, MgF 2 이전에 형성된 MgO)의 것과 달랐다 .삼.

산화막의 성장 속도는 SF하에 큰 것으로 입증되었다 (6) / SF보다 공기 6 / CO 2 손상 봉입 가스의 빠른 소비에 기여한다. AZ91 합금 주물의 재현성은 SF 6 /CO 2 대신 SF 6 /air를 사용할 때 향상되었습니다 .

감사의 말

저자는 EPSRC LiME 보조금 EP/H026177/1의 자금 지원 과 WD Griffiths 박사와 Adrian Carden(버밍엄 대학교)의 도움을 인정합니다. 주조 작업은 University of Birmingham에서 수행되었습니다.

참조
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Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).

Laser powder bed fusion of 17-4 PH stainless steel: a comparative study on the effect of heat treatment on the microstructure evolution and mechanical properties

17-4 PH 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합: 열처리가 미세조직의 진화 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 비교 연구

panelS.Saboonia, A.Chaboka, S.Fenga,e, H.Blaauwb, T.C.Pijperb,c, H.J.Yangd, Y.T.Peia
aDepartment of Advanced Production Engineering, Engineering and Technology Institute Groningen, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, The Netherlands
bPhilips Personal Care, Oliemolenstraat 5, 9203 ZN, Drachten, The Netherlands
cInnovation Cluster Drachten, Nipkowlaan 5, 9207 JA, Drachten, The Netherlands
dShi-changxu Innovation Center for Advanced Materials, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 72 Wenhua Road, Shenyang 110016, P. R. China
eSchool of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, P.R. China

Abstract

17-4 PH (precipitation hardening) stainless steel is commonly used for the fabrication of complicated molds with conformal cooling channels using laser powder bed fusion process (L-PBF). However, their microstructure in the as-printed condition varies notably with the chemical composition of the feedstock powder, resulting in different age-hardening behavior. In the present investigation, 17-4 PH stainless steel components were fabricated by L-PBF from two different feedstock powders, and subsequently subjected to different combinations of post-process heat treatments. It was observed that the microstructure in as-printed conditions could be almost fully martensitic or ferritic, depending on the ratio of Creq/Nieq of the feedstock powder. Aging treatment at 480 °C improved the yield and ultimate tensile strengths of the as-printed components. However, specimens with martensitic structures exhibited accelerated age-hardening response compared with the ferritic specimens due to the higher lattice distortion and dislocation accumulation, resulting in the “dislocation pipe diffusion mechanism”. It was also found that the martensitic structures were highly susceptible to the formation of reverted austenite during direct aging treatment, where 19.5% of austenite phase appeared in the microstructure after 15 h of direct aging. Higher fractions of reverted austenite activates the transformation induced plasticity and improves the ductility of heat treated specimens. The results of the present study can be used to tailor the microstructure of the L-PBF printed 17-4 PH stainless steel by post-process heat treatments to achieve a good combination of mechanical properties.

17-4 PH(석출 경화) 스테인리스강은 레이저 분말 베드 융합 공정(L-PBF)을 사용하여 등각 냉각 채널이 있는 복잡한 금형 제작에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 인쇄된 상태의 미세 구조는 공급원료 분말의 화학적 조성에 따라 크게 달라지므로 시효 경화 거동이 다릅니다.

현재 조사에서 17-4 PH 스테인리스강 구성요소는 L-PBF에 의해 두 가지 다른 공급원료 분말로 제조되었으며, 이후에 다양한 조합의 후처리 열처리를 거쳤습니다. 인쇄된 상태의 미세구조는 공급원료 분말의 Creq/Nieq 비율에 따라 거의 완전히 마르텐사이트 또는 페라이트인 것으로 관찰되었습니다.

480 °C에서 노화 처리는 인쇄된 구성 요소의 수율과 극한 인장 강도를 개선했습니다. 그러나 마텐자이트 구조의 시편은 격자 변형 및 전위 축적이 높아 페라이트 시편에 비해 시효 경화 반응이 가속화되어 “전위 파이프 확산 메커니즘”이 발생합니다.

또한 마르텐사이트 구조는 직접 시효 처리 중에 복귀된 오스테나이트의 형성에 매우 민감한 것으로 밝혀졌으며, 여기서 15시간의 직접 시효 후 미세 조직에 19.5%의 오스테나이트 상이 나타났습니다.

복귀된 오스테나이트의 비율이 높을수록 변형 유도 가소성이 활성화되고 열처리된 시편의 연성이 향상됩니다. 본 연구의 결과는 기계적 특성의 우수한 조합을 달성하기 위해 후처리 열처리를 통해 L-PBF로 인쇄된 17-4 PH 스테인리스강의 미세 구조를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.

Keywords

Laser powder bed fusion17-4 PH stainless steelPost-process heat treatmentAge hardeningReverted austenite

Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).
Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).
Fig. 2. Optical (a, b) and TEM (c) micrographs of the wrought 17-4 PH stainless steel.
Fig. 2. Optical (a, b) and TEM (c) micrographs of the wrought 17-4 PH stainless steel.
Fig. 3. EBSD micrographs of the as-printed 17-4 PH steel fabricated with “powder A” (a, b) and “powder B” (c, d) on two different cross sections: (a, c) perpendicular to the building direction, and (b, d) parallel to the building direction.
Fig. 3. EBSD micrographs of the as-printed 17-4 PH steel fabricated with “powder A” (a, b) and “powder B” (c, d) on two different cross sections: (a, c) perpendicular to the building direction, and (b, d) parallel to the building direction.
Fig. 4. Microstructure of the as-printed 17-4 PH stainless steel fabricated with “powder A” (a) and “powder B” (b).
Fig. 4. Microstructure of the as-printed 17-4 PH stainless steel fabricated with “powder A” (a) and “powder B” (b).
Fig. 5. Simulated temperature history of the probes located at the cross section of the L-PBF 17-4 PH steel sample.
Fig. 5. Simulated temperature history of the probes located at the cross section of the L-PBF 17-4 PH steel sample.
Fig. 6. Dependency of the volume fraction of delta ferrite in the final microstructure of L-PBF printed 17-4 PH steel as a function of Creq/Nieq.
Fig. 6. Dependency of the volume fraction of delta ferrite in the final microstructure of L-PBF printed 17-4 PH steel as a function of Creq/Nieq.
Fig. 7. IQ + IPF (left column), parent austenite grain maps (middle column) and phase maps (right column, green color = martensite, red color = austenite) of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a-c) direct aged, (d-f) HIP + aging, (g-i) SA + Aging, and (j-l) HIP + SA + aging (all sample were printed with “powder A”).
Fig. 7. IQ + IPF (left column), parent austenite grain maps (middle column) and phase maps (right column, green color = martensite, red color = austenite) of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a-c) direct aged, (d-f) HIP + aging, (g-i) SA + Aging, and (j-l) HIP + SA + aging (all sample were printed with “powder A”).
Fig. 8. TEM micrographs of the post process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a) direct aging and (b) HIP + aging (printed with “powder A”).
Fig. 8. TEM micrographs of the post process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a) direct aging and (b) HIP + aging (printed with “powder A”).
Fig. 9. XRD patterns of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel printed with “powder A”.
Fig. 9. XRD patterns of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel printed with “powder A”.
Fig. 10. (a) Volume fraction of reverted austenite as a function of aging time for “direct aging” condition, (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the 15 h direct aged specimen printed with “powder A”.
Fig. 10. (a) Volume fraction of reverted austenite as a function of aging time for “direct aging” condition, (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the 15 h direct aged specimen printed with “powder A”.
Fig. 11. Microhardness variations of the “direct aged” specimens as a function of aging time at 480 °C.
Fig. 11. Microhardness variations of the “direct aged” specimens as a function of aging time at 480 °C.
Fig. 12. Kernel average misorientation graphs of the as-printed 17-4 PH steel with (a) martensitic structure (printed with “powder A”) and (b) ferritic structure (printed with “powder b”).
Fig. 12. Kernel average misorientation graphs of the as-printed 17-4 PH steel with (a) martensitic structure (printed with “powder A”) and (b) ferritic structure (printed with “powder b”).
Fig. 13. Typical stress-strain curves (a) along with the yield and ultimate tensile strengths (b) and elongation (c) of the as-printed and post-process heat treated 17-4 PH stainless steel (all sample are fabricated with “powder A”).
Fig. 13. Typical stress-strain curves (a) along with the yield and ultimate tensile strengths (b) and elongation (c) of the as-printed and post-process heat treated 17-4 PH stainless steel (all sample are fabricated with “powder A”).
Fig. 14. (a) IQ + IPF and (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the “direct aged” specimen after tensile test at a location nearby the rupture point (tension direction from left to right).
Fig. 14. (a) IQ + IPF and (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the “direct aged” specimen after tensile test at a location nearby the rupture point (tension direction from left to right).

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electromagnetic metal casting computation designs Fig1

A survey of electromagnetic metal casting computation designs, present approaches, future possibilities, and practical issues

The European Physical Journal Plus volume 136, Article number: 704 (2021) Cite this article

Abstract

Electromagnetic metal casting (EMC) is a casting technique that uses electromagnetic energy to heat metal powders. It is a faster, cleaner, and less time-consuming operation. Solid metals create issues in electromagnetics since they reflect the electromagnetic radiation rather than consume it—electromagnetic energy processing results in sounded pieces with higher-ranking material properties and a more excellent microstructure solution. For the physical production of the electromagnetic casting process, knowledge of electromagnetic material interaction is critical. Even where the heated material is an excellent electromagnetic absorber, the total heating quality is sometimes insufficient. Numerical modelling works on finding the proper coupled effects between properties to bring out the most effective operation. The main parameters influencing the quality of output of the EMC process are: power dissipated per unit volume into the material, penetration depth of electromagnetics, complex magnetic permeability and complex dielectric permittivity. The contact mechanism and interference pattern also, in turn, determines the quality of the process. Only a few parameters, such as the environment’s temperature, the interference pattern, and the rate of metal solidification, can be controlled by AI models. Neural networks are used to achieve exact outcomes by stimulating the neurons in the human brain. Additive manufacturing (AM) is used to design mold and cores for metal casting. The models outperformed the traditional DFA optimization approach, which is susceptible to local minima. The system works only offline, so real-time analysis and corrections are not yet possible.

Korea Abstract

전자기 금속 주조 (EMC)는 전자기 에너지를 사용하여 금속 분말을 가열하는 주조 기술입니다. 더 빠르고 깨끗하며 시간이 덜 소요되는 작업입니다.

고체 금속은 전자기 복사를 소비하는 대신 반사하기 때문에 전자기학에서 문제를 일으킵니다. 전자기 에너지 처리는 더 높은 등급의 재료 특성과 더 우수한 미세 구조 솔루션을 가진 사운드 조각을 만듭니다.

전자기 주조 공정의 물리적 생산을 위해서는 전자기 물질 상호 작용에 대한 지식이 중요합니다. 가열된 물질이 우수한 전자기 흡수재인 경우에도 전체 가열 품질이 때때로 불충분합니다. 수치 모델링은 가장 효과적인 작업을 이끌어 내기 위해 속성 간의 적절한 결합 효과를 찾는데 사용됩니다.

EMC 공정의 출력 품질에 영향을 미치는 주요 매개 변수는 단위 부피당 재료로 분산되는 전력, 전자기의 침투 깊이, 복합 자기 투과성 및 복합 유전율입니다. 접촉 메커니즘과 간섭 패턴 또한 공정의 품질을 결정합니다. 환경 온도, 간섭 패턴 및 금속 응고 속도와 같은 몇 가지 매개 변수 만 AI 모델로 제어 할 수 있습니다.

신경망은 인간 뇌의 뉴런을 자극하여 정확한 결과를 얻기 위해 사용됩니다. 적층 제조 (AM)는 금속 주조용 몰드 및 코어를 설계하는 데 사용됩니다. 모델은 로컬 최소값에 영향을 받기 쉬운 기존 DFA 최적화 접근 방식을 능가했습니다. 이 시스템은 오프라인에서만 작동하므로 실시간 분석 및 수정은 아직 불가능합니다.

electromagnetic metal casting computation designs Fig1
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electromagnetic metal casting computation designs Fig2
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electromagnetic metal casting computation designs Fig3
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electromagnetic metal casting computation designs Fig4
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electromagnetic metal casting computation designs Fig5
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electromagnetic metal casting computation designs Fig6
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electromagnetic metal casting computation designs Fig7
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electromagnetic metal casting computation designs Fig8
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electromagnetic metal casting computation designs Fig9
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Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.

Storm surge inundation simulations comparing three-dimensional with two-dimensional models based on Typhoon Maemi over Masan Bay of South Korea

Jae-Seol Shim†, Jinah Kim†, Dong-Chul Kim‡, Kiyoung Heo†, Kideok Do†, Sun-Jung Park ‡
† Coastal Disaster Research Center,
Korea Institute of Ocean Science &
Technology, 426-744, Ansan, Gyeonggi,
Korea
jsshim@kiost.ac
jakim@kiost.ac
kyheo21@kiost.ac
kddo@kiost.ac
‡ Technology R&D Institute
Hyein E&C Co., Ltd., Seoul 157-861,
Korea
skkkdc@chol.com
Nayana_sj@nate.com

ABSTRACT

Shim, J., Kim, J., Kim, D., Heo, K., Do, K., Park, S., 2013. Storm surge inundation simulations comparing threedimensional with two-dimensional models based on Typhoon Maemi over Masan Bay of South Korea. In:
Conley, D.C., Masselink, G., Russell, P.E. and O’Hare, T.J. (eds.), Proceedings 12th International Coastal Symposium
(Plymouth, England), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 65, pp. 392-397, ISSN 0749-0208.
Severe storm surge inundation was caused by the typhoon Maemi in Masan Bay, South Korea in September 2003. To
investigate the differences in the storm surge inundation simulated by three-dimensional (3D) and two-dimensional
models, we used the ADvanced CIRCulation model (ADCIRC) and 3D computational fluid dynamics (CFD) model
(FLOW3D). The simulation results were compared to the flood plain map of Masan Bay following the typhoon Maemi.
To improve the accuracy of FLOW3D, we used a high-resolution digital surface model with a few tens of centimeterresolution, produced by aerial LIDAR survey. Comparison of the results between ADCRIC and FLOW3D simulations shows that the inclusion of detailed information on buildings and topography has an impact, delaying seawater propagation and resulting in a reduced inundation depth and flooding area. Furthermore, we simulated the effect of the installation of a storm surge barrier on the storm surge inundation. The barrier acted to decrease the water volume of the inundation and delayed the arrival time of the storm surge, implying that the storm surge barrier provides more time for residents’ evacuation.

Keywords: Typhoon Maemi, digital surface elevation model, Reynolds-Averaged NavierStokes equations.

2003 년 9 월 대한민국 마산만 태풍 매미에 의해 심한 폭풍 해일 침수가 발생했습니다. 3 차원 (3D) 및 2 차원 모델로 시뮬레이션 한 폭풍 해일 침수의 차이를 조사하기 위해 ADvanced CIRCulation 모델 ( ADCIRC) 및 3D 전산 유체 역학 (CFD) 모델 (FLOW3D).

시뮬레이션 결과는 태풍 매미 이후 마산만 범람원 지도와 비교되었다. FLOW-3D의 정확도를 높이기 위해 우리는 항공 LIDAR 측량으로 생성된 수십 센티미터 해상도의 고해상도 디지털 표면 모델을 사용했습니다.

ADCRIC과 FLOW3D 시뮬레이션의 결과를 비교하면 건물과 지형에 대한 자세한 정보를 포함하면 해수 전파가 지연되고 침수 깊이와 침수 면적이 감소하는 것으로 나타났습니다.

또한, 폭풍 해일 침수에 대한 폭풍 해일 장벽 설치의 효과를 시뮬레이션했습니다. 이 장벽은 침수 물량을 줄이고 폭풍 해일 도착 시간을 지연시키는 역할을 하여 폭풍 해일 장벽이 주민들의 대피에 더 많은 시간을 제공한다는 것을 의미합니다.

INTRODUCTION

2003 년 9 월 12 일 태풍 매미로 인한 강한 폭풍 해일이 남해안을 강타했습니다. 마산 만 일대는 심한 폭풍우 침수로 인해 최악의 피해를 입었고 광범위한 홍수를 겪었습니다. 따라서 마산 만에 예방 체계를 구축하기 위해 폭풍 해일에 의한 침수에 대한 수치 예측을 시도하는 선행 연구가 수행되었다 (Park et al. 2011).

그러나 일반적인 2 차원 (2D) 또는 3 차원 (3D) 수압 가정을 사용할 때 지형의 해상도는 복잡한 해안 구조를 표현하기에 충분하지 않습니다. 따라서 우리는 마산 만의 고해상도 지형도를 통해 전산 유체 역학 (CFD)의 침수 시뮬레이션을 제시한다.

태풍 매미는 2003 년 9 월 12 일 12시 (UTC)에 한반도에 상륙하여 남동부 해안을 따라 추적했습니다 (그림 1). 2003 년 9 월 13 일 6시 (UTC)에 동 일본해로 이동하여 온대 저기압이되었습니다.

풍속과 기압면에서 한국을 강타한 가장 강력한 태풍 중 하나입니다. 특히 마산 만에 접해있는 마산시는 폭풍 해일 홍수로 최악의 피해를 입어 32 명이 사망하고 심각한 해안 피해를 입었다. 태풍이 지나가는 동안 중앙 기압은 950hPa, 진행 속도는 45kmh-1로 마산항의 조 위계를 통해 최대 약 2.3m의 서지 높이를 기록했다.

마산 만에 접한 주거 및 상업 지역은 홍수가 심했고 지하 시설은 폭풍 해일로 침수로 어려움을 겪었습니다 (Yasuda et al. 2005). 이 논문에서는 3D CFD 모델 (FLOW 3D)과 2D ADvanced CIRCulation 모델 (ADCIRC)을 사용하여 기록 된 마산 만에서 가장 큰 폭풍 해일 중 하나에 의해 생성 된 해안 침수를 시뮬레이션했습니다.

건물의 높이와 공간 정보를 포함하는 디지털 표면 모델 (DSM)은 LiDAR (Airborne Light Detection and Ranging)에 의해 만들어졌으며, 폭풍 해일 침수 모델, 즉 3D CFD 모델 (FLOW 3D)의 입력 데이터로 사용되었습니다. ). 또한 ADCIRC의 시뮬레이션 결과는 FLOW3D의 경계 조건으로 사용됩니다.

본 연구의 목적은 극심한 침수 높이와 해안 육지로의 범람을 포함하여 마산 만에서 태풍 매미로 인한 폭풍 해일 침수를 재현하는 것이다.

<중략>………………

Figure 1. The best track and the central pressures of the typhoon Maemi from the Joint Typhoon Warning Center (JTWC). Open circles indicate the locations of the typhoon in 3 h intervals. Filled circles represent locations of the cited stations; A, B, C and D indicate Jeju, Yeosu, Tongyoung, and Masan, respectively.
Figure 1. The best track and the central pressures of the typhoon Maemi from the Joint Typhoon Warning Center (JTWC). Open circles indicate the locations of the typhoon in 3 h intervals. Filled circles represent locations of the cited stations; A, B, C and D indicate Jeju, Yeosu, Tongyoung, and Masan, respectively.
Figure 2. Model domain with FEM mesh for Typhoon Maemi.
Figure 2. Model domain with FEM mesh for Typhoon Maemi.
Figure 3. Validation of surge height for the four major tidal stations on the south coast of the Korea.
Figure 3. Validation of surge height for the four major tidal stations on the south coast of the Korea.
Figure 4. Inundation depth results from (a) ADCIRC, (b) FLOW3D, and (c) inundation field surveying hazard map following typhoon Maemi.
Figure 4. Inundation depth results from (a) ADCIRC, (b) FLOW3D, and (c) inundation field surveying hazard map following typhoon Maemi.
Figure 5. Inundation depth results computed by Flow3D at each time period following arrival of storm surge wave at harbor mouth.
Figure 5. Inundation depth results computed by Flow3D at each time period following arrival of storm surge wave at harbor mouth.
Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.
Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.

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Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)

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한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineersv.17 no.3 = no.99 , 2009년, pp.45 – 53  신현우 (두원공과대학 메카트로닉스과 ) ;  정연준 ( 현대자동차(주) ) ;  강승구 ( 인지AMT(주))

Abstract

Die casting process of Mg alloys for high temperature applications was studied to produce an engine oil pan. The aim of this paper is to evaluate die casting processes of the Aluminium oil pan and in parallel to apply new Mg alloy for die casting the oil pan. Temperature distributions of the die and flow pattern of the alloys in cavity were simulated to diecast a new Mg alloy by the flow simulation software. Dies have to be modified according to material characteristics because melting temperature and heat capacity are different. We changed the shape and position of runner, gate, vent hole and overflow by the simulation results. After several trial and error, oil pans of AE44 and MRI153M Mg alloys are produced successfully without defect. Sleeve filling ratio, cavity filling time and shot speed of die casting machine are important parameter to minimize the defect for die casting Magnesium alloy.

Keywords: 오일팬 , 내열마그네슘합금, 알루미늄 합금,  다이캐스팅, 유동해석

서론

크랭크케이스의 하부에 부착되는 오일팬은 오일 펌프에 의해 펌핑된 오일이 윤활작용을 마치고 다시 모이는 부품이다. 오일의 온도에 의해 가열되므로 일반적으로 사용되는 마그네슘 합금인 AZ나 AM계열의 합금은 사용이 불가하며 내열소재의 적용이 불가피하다.

현재 ADC12종 알루미늄 오일팬 둥이 적용되고 있으며, 이를 마그네슘으로 대체할 경우 밀도가 알루미늄 2.8g/cm3‘, 마그네슘 1.8g/cm3‘이므로 약 35%의 경량화가 가능하다고 단순하게 말할 수 있다.

그러나 탄성계수는 알루미늄 73GPa이 고 마그네슘 45GPa이므로 외부 하중을 지지하고 있는 부품의 경우는 단순한 재질의 변경만으로는 알루미늄과 같은 정도의 강성을 나타내지 못하므로 형상의 변경 등을 통한 설계 최적화가 요구된다.

마그네슘은 현재까지 개발된 여러 가지 구조용 합금들 중에서 최소의 밀도를 가지고 있으며 동시에 우수한 비강도 및 비탄성 계수를 가지고 있다.1.2)

그러나 이러한 우수한 특성을 가지는 마그네슘 합금은 경쟁 재료에 비해 절대 강도 및 인성이 낮으며 고온에서 인장 강도가 급격히 감소하고 내부식 성능이 떨어지는 등의 문제점이 있다. 현재까지 자동차 부품 중 마그네슘 합금은 Cylinder head cover, Steering wheel, Instrument panel, Seat frame 등 비교적 내열성이 요구되지 않는 부분에만 한정적으로 적용되고 있다.
자동차 산업에서 좀 더 많은 부품에 마그네슘 합금을 적용하기 위해서는 내열성을 향상 시키고 고온강도를 향상시키기 위한 새로운 합금의 개발이 이루어져야 한다. 최근 마그네슘 합금개발에 대한 연구동향은 비교적 저가인 원소를 값비싼 원소가 첨가된 합금계에 부분적으로 첨가하거나 대체함으로써 비슷한 내열 특성을 가지는 합금을 개발하고,34) 이를 자동차 산업이나 전자 산업의 내열 부품 적용으로 확대하기 위하여 진행되고 있다. 현재 마그네슘 내열 부품은 선진국에서 자동차 부품으로 개발되고 있으나6-8)

국내에서는 아직 자동차 부품에 폭 넓게 적용되고 있지 않다. 그러므로 국내 자동차 산업이 치열한 국제 시장에서 생존하기 위해서는 마그네슘 합금의 내열 부품 제조기술을 조기에 개발하여 선진국보다 기술적, 경제적 우위를 확보하는 것이 절실히 요구된다.

본 연구에서는 내열 마그네슘합금을 이용하여 알루미늄 오일팬을 대체할 수 있는 새로운 오일팬의 개발올 위한 적절한 다이캐스팅 공정방안을 도출하고자 한다.

<중략>…….

Fig. 1 Current Al oil pan and cooling lines
Fig. 1 Current Al oil pan and cooling lines
Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)
Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)
Fig. 3 Developed Mg oil pan and cooling lines
Fig. 3 Developed Mg oil pan and cooling lines
Fig. 4 Temperature distributions of Mg oil pan for new cooling lines (Cycling)
Fig. 4 Temperature distributions of Mg oil pan for new cooling lines (Cycling)
Fig. 5 Filling pattern of current Al oil pan
Fig. 5 Filling pattern of current Al oil pan
Fig. 11 Temperature distribution at t-=1.825sec
Fig. 11 Temperature distribution at t-=1.825sec

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결론

오일팬은 엔진 내부에서 순환되어 돌아오는 오일의 열을 외부로 발산하는 냉각기능 및 엔진으로부터 발생하는 소음이 외부로 전달되지 않도록 소음을 차단하는 역할을 수행하는 매우 중요한 부품 중의 하나이다. 본 연구에서는 현재 개발 중에 있는 새로운 내열 마그네슘 합금을 이용하여 현재 사용하고 있는 알루미늄 오일팬을 대체할 마그네슘 오일팬을 개발하고 시험 생산하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

  1. 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 단위 부피당 열 용량은 각각 3.07x10J/m/K, 2.38x10J/m/K로서 동일 주조 조건 시 응고 속도 차이가 제품 성형에 영향을 미칠 것으로 예상되었으며, 주조해석 및 제품분석을 통해 확인하였다. 따라서 주조 조건에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인된 용탕, 금형온도, 주조속도 등을 변경하여 최적 주조공정 조건을 확립하였다.
  2. 제품 및 시험편 성형에 영향을 미치는 것으로 확인된 런너의 곡률 반경을 증대시키고 게이트의 갯수 및 오버플로우 위치와 형상을 조절함으로서 제품 및 시험편의 용탕 흐름을 원활하게 조절 할 수 있었다.
  3. MRI153M 합금은 AE44 합금에 비해 응고 시작점에서 완료점까지의 응고시간이 길어 응고 완료 후, 내부 수축기포가 보다 많이 관찰되었다.
    따라서 MRI153M 합금 주조시 슬리브 충진율, 게이트 통과속도, 충진시간 등을 달리하여 최적 주조 품을 생산할 수 있었다.

Reference

  1. W. Sebastian, K. Droder and S. Schumann, Properties and Processing of Magnesium Wrought Products for Automotive Applications; Conference Paper at Magnesium Alloys and Their Applications,Munich, Germany, 2000 
  2. J. Hwang and D. Kang, “FE Analysis on the press forging of AZ31 Magnesium alloys,” Transactions ofKSAE, Vo1.14, No.1, pp.86-91, 2006  원문보기 
  3. S. Koike, K. Washizu, S. Tanaka, K. Kikawa and T. Baba, “Development of Lightweight Oil Pans Made of a Heat-Resistant Magnesium Alloy for Hybrid Engines,” SAE 2000-01-1117, 2000 
  4. D.M. Kim, H.S. Kim and S.I. Park, “Magnesium for Automotive Application,” Journal ofKSAE, Vo1.18, No.5, pp.53-67, 1996 
  5. P. Lyon, J. F. King and K. Nuttal, “A New Magnesium HPDC Alloy for Elevated Temperature Use,” Proceedings of the 3rd International Magnesium Conference, ed. G. W. Lorimer, Manchester, UK, pp.1 0-12, 1996 
  6. S. Schumann and H. Friedrich, The Use ofMg in Cars – Today and in Future, Conference Paper at Mg Alloys and Their Applications, Wolfsburg, Germany, 1998 
  7. F. von Buch, S. Schumann, H. Friedrich, E. Aghion, B. Bronfin, B. L. Mordike, M. Bamberger and D. Eliezer, “New Die Casting Alloy MRI 153 for Power Train Applications,” Magnesium Technology 2002, pp.61-68, 2002 
  8. M.C. Kang and K.Y. Sohn, “The Trend and Prospects of Magnesium Alloys Consumption for Automotive Parts in Europe,” Proceedings of KSAE Autumn Conference, pp.1569-l576, 2003 
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Fig. 6: Proposed Pattern Layout

Casting Defect Analysis on Caliper Bracket using Mold flow Simulation

금형 흐름 시뮬레이션을 사용한 캘리퍼 브래킷의 주조 결함 분석

Abstract

이 작업에서는 컴퓨터 보조 주조 시뮬레이션 기술을 사용하여 Green sand 주조의 모래, 기계 및 설계 관련 결함을 분석합니다. 자동차 브레이크 드럼에 사용되는 캘리퍼 브래킷이 분석을 위해 선택됩니다.

캘리퍼 브래킷을 제조하는 동안 수축, 블로우 홀, 몰드 크러쉬 및 샌드 드롭과 같은 결함이 대량 생산에서 발생합니다. 여기에서는 주조 결함 식별, 분석 및 수정에 대한 3 단계 접근 방식을 제시합니다.

모래 관련 결함에서 테스트 매개 변수 및 모래 속성이 수집된 다음 해당 속성을 저널 및 기타 표준과 비교합니다. 기계 관련 주조 결함에서 기계 유지 보수를 관찰 한 다음 유지 보수 일정을 변경하여 브레이크 다운 시간과 유지 보수 비용을 줄입니다.

패턴 관련에서는 “Autodesk 금형 흐름 시뮬레이션 소프트웨어”를 사용하여 패턴에서 결함이 있는 영역을 찾은 다음 패턴을 재 설계하여 결함을 줄입니다.

Keywords: Casting defects, Mold flow, Simulation, Caliper Bracket

Background

이 작업에서 컴퓨터 보조 주조 시뮬레이션 기술을 사용하여 모래, 기계 및 설계 관련 결함을 분석하는 것은 원하는 부품 형상을 제조하는 직접적인 방법 중 하나입니다. 주조 결함으로 인해 단위 비용이 증가하고 작업 현장 직원의 사기가 낮아집니다. Vijaya Ramnath (2014)는 제조 리드 타임을 대폭 단축하는 게이팅 시스템의 최적화를 다루었습니다.

Prabhakara Rao et al (2011)은 ProCAST 소프트웨어의 도움으로 주조 응고 시뮬레이션 프로세스에 대해 논의했습니다. Kermanpur et al (2010)은 FLOW-3D 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 두 자동차 주조 부품의 다중 캐비티 주조 금형에서 금속 흐름 및 응고 거동을 연구하고 시뮬레이션 모델을 검증했습니다.

Nandi 등 (2914)은 기존 방법과 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 기반으로 다양한 크기의 피더를 사용하는 알루미늄 합금 (LM6)의 응고 거동을 조사하기 위해 플레이트 주조를 연구했습니다. Gajbhiye (2014)는 허용치, 게이팅 시스템 및 피더가있는 패턴에 대해 얻은 설계 치수에 따라 AutoCAST-X 환경에서 응고 시뮬레이션 분석을 수행했습니다. Masoumi (2005)는 금형 충진의 흐름 패턴을 실험적으로 관찰하기 위해 직접 관찰을 사용했습니다.

Dabade (2013)는 실험 설계법 (Taguchi 법)과 컴퓨터 지원 주조 시뮬레이션 기법을 결합한 새로운 주조 결함 분석 방법을 제안하고 연구하여 모래, 몰딩, 녹색 모래 주조의 방법, 충전 및 응고. Rajesh Rajkolhe (2014)와 Vipul Vasava (2013)는 주조 시뮬레이션 기술이 주조 결함 문제 해결 및 방법 최적화를 위한 강력한 도구가 된다고 발표했습니다.

Guharaja (2006)는 가능한 가장 낮은 비용으로 매개 변수 설계의 Taguchis 방법으로 품질을 개선함으로써이를 입증했습니다. 검토를 기반으로이 작업에서는 컴퓨터 지원 주조 시뮬레이션 기술을 사용하여 그린 샌드 주조의 설계 관련 결함을 분석합니다. 주조. 자동차 브레이크 드럼에 사용되는 캘리퍼 브래킷이 분석을 위해 선택됩니다.

캘리퍼 브래킷을 제조하는 동안 수축, 블로우 홀, 몰드 크러쉬 및 샌드 드롭과 같은 결함이 대량 생산에서 발생합니다. 여기에서는 주조 결함 식별, 분석 및 수정에 대한 3 단계 접근 방식을 제시합니다. 모래 관련 결함에서 테스트 매개 변수 및 모래 속성이 수집된 다음 해당 속성을 저널 및 기타 표준과 비교합니다.

기계 관련 주조 결함에서 기계 유지 보수를 관찰 한 다음 유지 보수 일정을 변경하여 브레이크 다운 시간과 유지 보수 비용을 줄입니다. 패턴 관련에서는 “Autodesk 금형 흐름 시뮬레이션 소프트웨어”를 사용하여 패턴의 결함 영역을 찾은 다음 패턴의 재 설계를 수행하여 결함을 줄입니다.

본문 내용 생략 : 문서 하단부의 원문보기를 참고하시기 바랍니다.

Fig. 5: Existing Pattern Layout
Fig. 5: Existing Pattern Layout
Fig. 6: Proposed Pattern Layout
Fig. 6: Proposed Pattern Layout

Conclusions

이 작업은 산업 부품의 결함을 줄이기 위해 시뮬레이션 기술을 사용하여 주조 결함을 식별하는 것을 목표로합니다. 주조 부품의 품질을 향상시키기 위해 여러 가지 장점과 지능형 도구 형태를 제공합니다. 이것은 주조의 품질과 수율을 향상시키는 데 확실히 도움이 될 것입니다. 이러한 기술적 인 방법으로 주조 결함을 검사하면 주조 산업에서 불량품 관리 조건을 경고 할 수 있습니다. 이 프로젝트에서는 자동차 브레이크 드럼에 사용되는 캘리퍼 브래킷을 분석을 위해 선택합니다. 캘리퍼 브라켓을 제작하는 동안 양산시 수축, 블로우 홀, 몰드 크러쉬, 샌드 드롭과 같은 결함이 발생합니다. 더 나은 품질의 주조를 얻기 위해 다양한 매개 변수를 찾기 위해 많은 테스트가 수행되었습니다. 모래 매개 변수를 적절하게 선택함으로써 주조 결함을 성공적으로 줄였습니다. 거부가 통제 될 때까지 모래 혼합 공정 매개 변수의 변화를 위해 지속적으로 노력할 수 있습니다. 그런 다음 적절한 유지 보수 정책을 제공하여 CASTING 기계의 성능 수준을 높였습니다. 이로 인해 CASTING 기계의 OEE가 향상되었습니다. 마지막으로 세 가지 이상의 수정 사항이있는 새로운 패턴 디자인이 제안됩니다. 이 새로운 패턴 디자인은 주조 결함을 성공적으로 줄였습니다. 더 나은 품질을 위해 주조 결함에 근거한 주조품의 거부를 가능한 한 줄여야합니다.
분석 결과는 제품 품질의 향상을 보여줍니다. 마지막으로 캐스팅 거부율이 감소합니다.

Figure 4.9 Flow analysis results using FLOW3D of the metal flow and solidification in the main cavity. (The velocity is in m/s.)

Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using Lubrication Approximation

Alexandre Reikher
A Dissertation Submitted in
Partial Fulfillment of the
Requirements for the Degree of
Doctor of Philosophy
In Engineering
at
The University of Wisconsin Milwaukee
December 2012

ABSTRACT

얇은 벽 부품의 주조는 오늘날 다이 캐스트 산업의 현실이 되었습니다. 전산 유체 역학 분석은 생산 개발 프로세스의 필수적인 부분입니다. 일반적으로 에너지 방정식과 결합 된 3 차원 Navier-Stokes 방정식은 유동 및 응고 패턴, 유동 선단의 위치, 함수로서 고체-액체 인터페이스의 위치를 ​​이해하기 위해 해결되어야 합니다.

캐비티 충전 및 응고 과정에서 시간. 얇은 벽 주조에 대한 지배 방정식의 일반적인 솔루션에는 많은 수의 계산 셀이 필요하므로 솔루션을 생성하는 데 비현실적으로 오랜 시간이 걸립니다.

Hele Shaw 유동 모델링 접근법을 사용하면 평면 외 유동을 무시함으로써 얇은 캐비티의 유동 문제 해결을 단순화 할 수 있습니다. 추가적인 이점으로, 문제는 3 차원 문제에서 2 차원 문제로 축소됩니다. 그러나 Hele-Shaw 근사는 흐름의 점성력이 관성력보다 훨씬 더 높아야하며,이 경우 Navier-Stokes 방정식은 Reynolds의 윤활 방정식으로 축소됩니다.

그러나 다이 캐스트 공정의 빠른 사출 속도로 인해 관성력을 무시할 수 없습니다. 따라서 윤활 방정식은 흐름의 관성 효과를 포함하도록 수정되어야 합니다.

이 박사 학위 논문에서는 얇은 공동에서 응고와 함께 액체 금속의 정상 상태 및 과도 흐름을 모델링하기 위한 빠른 수치 알고리즘이 개발되었습니다. 설명된 문제는 저온 챔버, 고압 다이 캐스트 공정, 특히 얇은 환기 채널에서 관찰되는 금속 흐름 현상과 밀접한 관련이 있습니다.

채널의 금속 흐름 속도가 고체-액체 계면 속도보다 훨씬 높다는 사실을 사용하여 두께에 따른 열 전달을 처리하면서 금속 흐름을 주어진 시간 단계에서 안정된 것으로 처리하여 새로운 수치 알고리즘을 개발했습니다.

일시적인 방향. 얇은 캐비티의 흐름은 채널 두께에 대한 운동량과 연속성 방정식을 통합 한 후 2 차원으로 처리되고 열 전달은 두께 방향의 1 차원 현상으로 모델링 됩니다. 엇갈린 격자 배열은 유동 지배 방정식을 이산화하는데 사용되며 결과적인 편미분 방정식 세트는 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘을 사용하여 해결됩니다.

상 변화를 수반하는 두께 방향 열 전달 문제는 제어 볼륨 공식을 사용하여 해결됩니다. 고체-액체 계면의 위치와 모양은 솔루션의 일부로 Stefan 조건을 사용하여 찾을 수 있습니다. 시뮬레이션 결과는 응고와 함께 전체 3 차원 흐름 및 열 전달 방정식을 해결하는 상용 소프트웨어 FLOW-3D®의 예측과 잘 비교되는 것으로 나타났습니다.

제안된 수치 알고리즘은 또한 얇은 채널에서 일시적인 금속 충전 및 응고 문제를 해결하기 위해 적용되었습니다. 움직이는 고체-액체 인터페이스의 존재는 이제 반복적으로 해결되는 일련의 흐름 방정식에 비선형 성을 도입합니다.

다시 한번, FLOW3D®의 예측과 잘 일치하는 것이 관찰되었습니다.

이 두 연구는 제안 된 관성 수정 레이놀즈의 윤활 방정식과 함께 두께를 통한 열 손실 및 응고 모델을 성공적으로 구현하여 다이 캐스트 공정 중에 얇은 채널에서 액체 금속의 유동 및 응고에 대한 빠른 분석을 제공 할 수 있음을 나타냅니다. CPU 시간을 대폭 절약하여 얻은 이러한 시뮬레이션 결과는 다이 캐스트 다이의 환기 채널을 설계하는 동안 빠른 초기 분석을 제공하는 데 사용할 수 있습니다.

Figure 1.3. Schematic representation of steps in the hot chamber die-cast process: a. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; b. after solidification process is complete, the die opens; c. the part is ejected from the cavity.
Figure 1.3. Schematic representation of steps in the hot chamber die-cast process: a. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; b. after solidification process is complete, the die opens; c. the part is ejected from the cavity.
Figure 1.5. Schematic representation of steps in the cold chamber die-cast process: a. molten metal is ladled into the shot sleeve; b. hydraulic cylinder applies pressure on plunger; c. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; d. high pressure is maintained during solidification; e. after solidification is complete, the die opens; f. the part is ejected from the cavity.
Figure 1.5. Schematic representation of steps in the cold chamber die-cast process: a. molten metal is ladled into the shot sleeve; b. hydraulic cylinder applies pressure on plunger; c. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; d. high pressure is maintained during solidification; e. after solidification is complete, the die opens; f. the part is ejected from the cavity.
Figure 4.6 A schematic of a die-cast die with shot sleeve and plunger: 1) Shot sleeve, 2) Plunger, 3) Stationary half of the die-cast die, 4) Ejector half of the die-cast die, 5) Mold cavity, 6) Ventilation channel.
Figure 4.6 A schematic of a die-cast die with shot sleeve and plunger: 1) Shot sleeve, 2) Plunger, 3) Stationary half of the die-cast die, 4) Ejector half of the die-cast die, 5) Mold cavity, 6) Ventilation channel.
Figure 4.8 A picture (a ‘full shot’) of a part made using the die-cast process. The overflows are created when the metal front, after filling the main cavity, fills up the machined ‘overflow’ pockets in the die-cast mold. Ventilation channel is last to fill-up.
Figure 4.8 A picture (a ‘full shot’) of a part made using the die-cast process. The overflows are created when the metal front, after filling the main cavity, fills up the machined ‘overflow’ pockets in the die-cast mold. Ventilation channel is last to fill-up.
Figure 4.9 Flow analysis results using FLOW3D of the metal flow and solidification in the main cavity. (The velocity is in m/s.)
Figure 4.9 Flow analysis results using FLOW3D of the metal flow and solidification in the main cavity. (The velocity is in m/s.)
Figure 4.10 Temperature distribution in the considered cavity of the die-cast die, filled with liquid metal at the end of the fill process. (The temperature is in 0C.)
Figure 4.10 Temperature distribution in the considered cavity of the die-cast die, filled with liquid metal at the end of the fill process. (The temperature is in 0C.)
Figure 4.16 Experimentally observed solidified metal in the ventilation channel; a) Measured length of metal flow in the ventilation channel after solidification stops it; b) Enlarged image of the solidified metal in the channel
Figure 4.16 Experimentally observed solidified metal in the ventilation channel; a) Measured length of metal flow in the ventilation channel after solidification stops it; b) Enlarged image of the solidified metal in the channel
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FLOW-3D (x) Workflow

Optimization of a Tilt Pour Casting

경동 주조 최적화

최적화 목표

연소 엔진 피스톤의 경동 주조를 최적화하여 공기 혼입을 최소화합니다.

엔지니어링 과제

이 최적화의 목적은 경동 주조 중에 공기 혼입 및 난류의 양을 최소화하는 것입니다. 이 목표는 주물 채우기 모션의 프로필을 수정하여 달성됩니다. 공기 혼입과 난류를 최소화하면 주조에 결함이 발생할 가능성이 줄어 듭니다. 또한 충전 매개 변수를 최적화하면 비용 증가 없이 품질을 높일 수 있습니다.

최적화 전 틸트 타설 주조

최적화 솔루션

사용자가 경동 주조 시뮬레이션의 여러 반복을 실행할 수 있는 워크 플로우를 생성합니다. FLOW-3D (x) 는 노드를 사용하여 최적화를위한 자동화 된 워크 플로를 구성합니다. 세 가지 프로세스 변수 (회전 시작, 회전 지속 시간 및 체적 유량)는 변수 입력으로 사용되며 시뮬레이션이 반복 될 때마다 달라집니다.

FLOW-3D (x) 워크 플로우

Excel 스프레드 시트 노드는 금형 회전의 시작 및 지속 시간과 충전 프로파일의 체적 유량에 대한 테이블을 정의하는 데 사용됩니다. 계산기 노드는 프로파일 설명을 레이들 동작을 규정하는 movin.inp 파일로 변환합니다. 다음으로 FLOW-3D 노드는 시뮬레이션을 실행하는 데 사용됩니다. 각 시뮬레이션의 출력은 후 처리 노드에 의해 결과에서 추출된 총 충전 비율과 동반 공기량 비율입니다. 채우기 비율은 시뮬레이션의 동적 종료 조건으로 사용되어 금형이 완전히 채워지도록 합니다. 최적화 연구에 허용되는 예산 또는 시뮬레이션 수는 30 개로 설정됩니다. 단일 시뮬레이션 실행은 약 15 분입니다.

최적화 결과

사용 FLOW-3D (X) 의 데이터를 분석 도구를 결과 Pareto Front 그래픽 표현이 혼입된 공기의 최소량과 높은 충전 분율 최적 충전 프로파일에 있는 시뮬레이션 대응을 보여준다. 시뮬레이션 및 반복 설계 기능은 모두 FLOW-3D (x)에 의해 자율적으로 생성됩니다 . 또한 각 개별 시뮬레이션의 이미지와 비디오를 출력하도록 설정할 수 있습니다.

다음은 원래의 주입 속도와 주입 시간 (왼쪽)과 오른쪽의 최적화 된 값을 비교 한 것입니다. 주입 속도가 약간 증가하고 주입이 약간 더 일찍 완료됩니다.

원래 주입 속도
최적화 된 주입 속도

다음은 원래 금형 회전 속도 및 기간 (왼쪽)과 오른쪽의 최적화 된 값을 비교한 것입니다. 회전 속도가 증가하고 회전 시간이 원본보다 짧다는 것을 알 수 있습니다.

원래 금형 회전율

FLOW-3D (X)에 대한 자세한 내용은  기술 문의 담당자에게 문의 바랍니다.

FLOW-3D (x)

FLOW-3D (x)

Achieve Better CFD Workflows with FLOW-3D (x)

FLOW-3D(x) 는 자동화, 최적화 및 배치 처리를 CFD 워크 플로에 연결하여 CFD를 수행하는 방식을 크게 변화시킵니다. FLOW-3D(x)를 사용하면 자동화 및 최적화 워크 플로우를 그래픽적이고 직관적으로 구축 할 수 있을 뿐만 아니라 Solidworks, Rhino 및 Excel과 같은 외부 프로그램을 연결하여 시뮬레이션에 정보를 동적으로 제공할 수 있습니다. 

설계 매개 변수 공간을 실행하거나 실험 설계에 관심이 있거나 최상의 성능을 위해 형상 부품을 최적화 하는 경우 FLOW-3D(x)를 사용하면 배치 워크 플로우를 구성하고 고급 매개 변수 형상 연구를 수행하며 자동화 및 최적화를 결합하여 신속하게 설계 목표를 충족하고 최적의 해결 방안에 도달할 수 있습니다.

FLOW-3D (x) Case Studies

FLOW-3D (x) case study - sloshing
Optimizing Design Performance with Baffle
FLOW-3D (x) case study - contact tank
Characterizing Contact Tank Performance

FLOW-3D (x) case study - stepped spillway
Calibrating Simulation Parameters
FLOW-3D (x) case study - tilt pour
Optimization of a Tilt Pour Casting

  

FLOW-3D (x) Features

OPTIMIZATION

  • 최적의 설계 매개 변수를 식별하여 제품 성능을 향상시킵니다.

WORKFLOW AUTOMATION

  • 일반적인 시뮬레이션 작업 자동화 : 사전 정의된 매개 변수 세트를 실행하고 시뮬레이션 결과를 추출하고 그래픽 출력을 생성합니다.

SIMULATION CALIBRATION

  • 원하는 결과를 얻는데 필요한 시뮬레이션 매개 변수를 식별합니다.

PARAMETER SENSITIVITY

  • 입력 매개 변수에 대한 시뮬레이션의 민감도를 결정합니다.

PYTHON INTEROPERABILITY

  • Python 스크립트를 실행하여 POST 처리 및 입력 사용자 지정을 제공합니다.

EXPERIMENTAL/LAB RESULTS

  • 기존 실험실 데이터에 대한 반응 표면을 만듭니다.

CAD PLUGINS

  • FLOW-3D (x) 내에서 직접 매개 변수화 된 CAD 모델과 상호 작용 합니다.
  • Solidworks, Rhino/Grasshopper, PTC Creo, NX, Spaceclaim, Catia 및 Autodesk Inventor.

DISTRIBUTED SOLVING

  • 최대의 효율성을 위해 원격 Windows 및 Linux 워크스테이션에서 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.


MICROSOFT EXCEL PLUGIN

  • Excel의 강력한 기능을 활용할 수 있습니다.

Simulation of EPS foam decomposition in the lost foam casting process

X.J. Liu a,∗, S.H. Bhavnani b,1, R.A. Overfelt c,2
a United States Steel Corporation, Great Lakes Works, #1 Quality Drive, Ecorse, MI 48229, United States b 213 Ross Hall, Department of Mechanical Engineering, Auburn University, Auburn, AL 36849-5341, United States c 202 Ross Hall, Department of Mechanical Engineering, Materials Engineering Program, Auburn University, Auburn, AL 36849-5341, United States
Received 17 April 2006; received in revised form 14 July 2006; accepted 21 August 2006

Keywords: Lost foam casting; Heat transfer coefficient; Gas pressure; VOF-FAVOR

LFC (Loss Foam Casting) 공정에서 부드러운 몰드 충진의 중요성은 오랫동안 인식되어 왔습니다. 충진 공정이 균일할수록 생산되는 주조 제품의 품질이 향상됩니다. 성공적인 컴퓨터 시뮬레이션은 금형 충전 공정에서 복잡한 메커니즘과 다양한 공정 매개 변수의 상호 작용을 더 잘 이해함으로써 새로운 주조 제품 설계의 시도 횟수를 줄이고 리드 타임을 줄이는데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구에서는 용융 알루미늄의 유체 흐름과 금속과 발포 폴리스티렌 (EPS) 폼 패턴 사이의 계면 갭에 관련된 열 전달을 시뮬레이션하기 위해 전산 유체 역학 (CFD) 모델이 개발되었습니다.

상업용 코드 FLOW-3D는 VOF (Volume of Fluid) 방법으로 용융 금속의 전면을 추적 할 수 있고 FAVOR (Fractional Area / Volume Ratios) 방법으로 복잡한 부품을 모델링 할 수 있기 때문에 사용되었습니다. 이 코드는 폼 열화 및 코팅 투과성과 관련된 기체 갭 압력을 기반으로 다양한 계면 열 전달 계수 (VHTC)의 효과를 포함하도록 수정되었습니다.

수정은 실험 연구에 대해 검증되었으며 비교는 FLOW-3D의 기본 상수 열 전달 (CHTC) 모델보다 더 나은 일치를 보여주었습니다. 금속 전면 온도는 VHTC 모델에 의해 실험적 불확실성 내에서 예측되었습니다. 몰드 충전 패턴과 1-4 초의 충전 시간 차이는 여러 형상에 대해 CHTC 모델보다 VHTC 모델에 의해 더 정확하게 포착되었습니다. 이 연구는 전통적으로 매우 경험적인 분야에서 중요한 프로세스 및 설계 변수의 효과에 대한 추가 통찰력을 제공했습니다.

지난 20 년 동안 LFC (Loss Foam Casting) 공정은 코어가 필요없는 복잡한 부품을 제조하기 위해 널리 채택되었습니다. 이는 자동차 제조업체가 현재 LFC 기술을 사용하여 광범위한 엔진 블록과 실린더 헤드를 생산하기 때문에 알루미늄 주조 산업에서 특히 그렇습니다.

기본 절차, 적용 및 장점은 [1]에서 찾을 수 있습니다. LFC 프로세스는 주로 숙련 된 실무자의 경험적 지식을 기반으로 개발되었습니다. 발포 폴리스티렌 (EPS) 발포 분해의 수치 모델링은 최근에야 설계 및 공정 변수를 최적화하는 데 유용한 통찰력을 제공 할 수있는 지점에 도달했습니다. LFC 공정에서 원하는 모양의 발포 폴리스티렌 폼 패턴을 적절한 게이팅 시스템이있는 모래 주형에 배치합니다.

폼 패턴은 용융 금속 전면이 패턴으로 진행될 때 붕괴, 용융, 기화 및 열화를 겪습니다. 전진하는 금속 전면과 후퇴하는 폼 패턴 사이의 간격 인 운동 영역은 Warner et al. [2] LFC 프로세스를 모델링합니다. 금형 충진 과정에서 분해 산물은 운동 영역에서 코팅층을 통해 모래로 빠져 나갑니다.

용융 금속과 폼 패턴 사이의 복잡한 반응은 LFC 공정의 시뮬레이션을 극도로 어렵게 만듭니다. SOLA-VOF (SOLution AlgorithmVolume of Fluid) 방법이 Hirt와 Nichols [3]에 의해 처음 공식화 되었기 때문에 빈 금형을 사용한 전통적인 모래 주조 시뮬레이션은 광범위하게 연구되었습니다.

Lost foam 주조 공정은 기존의 모래 주조와 많은 특성을 공유하기 때문에이 새로운 공정을 모델링하는 데 적용된 이론과 기술은 대부분 기존의 모래 주조를 위해 개발 된 시뮬레이션 방법에서 비롯되었습니다. 패턴 분해 속도가 금속성 헤드와 금속 전면 온도의 선형 함수라고 가정함으로써 Wang et al. [4]는 기존의 모래 주조의 기존 컴퓨터 프로그램을 기반으로 복잡한 3D 형상에서 Lost foam 주조 공정을 시뮬레이션했습니다.

Liu et al. [5]는 금속 앞쪽 속도를 예측하기 위한 간단한 1D 수학적 모델과 함께 운동 영역의 배압을 포함했습니다. Mirbagheri et al. [6]은 SOLA-VOF 기술을 기반으로 금속 전면의 자유 표면에 대한 압력 보정 방식을 사용하는 Foam 열화 모델을 개발했습니다.

Kuo et al.에 의해 유사한 배압 방식이 채택되었습니다. [7] 운동량 방정식에서이 힘의 값은 실험 결과에 따라 패턴의 충전 순서를 연구하기 위해 조정되었습니다.

이러한 시뮬레이션의 대부분은 LFC 공정의 충전 속도가 기존의 모래 주조 공정보다 훨씬 느린 것으로 성공적으로 예측합니다. 그러나 Foam 분해의 역할은 대부분 모델의 일부가 아니며 시뮬레이션을 수행하려면 실험 데이터 또는 경험적 함수가 필요합니다.

현재 연구는 일정한 열전달 계수 (CHTC)를 사용하는 상용 코드 FLOW-3D의 기본 LFC 모델을 수정하여 Foam 열화와 관련된 기체 갭 압력에 따라 다양한 열전달 계수 (VHTC)의 영향을 포함합니다. 코팅 투과성. 수정은 여러 공정 변수에 대한 실험 연구에 대해 검증되었습니다.

또한, 손실 된 폼 주조에서 가장 중요한 문제인 결함 형성은 문헌에서 인용 된 수치 작업에서 모델링되지 않았습니다. 접힘, 내부 기공 및 표면 기포와 같은 열분해 결함은 LFC 작업에서 많은 양의 스크랩을 설명합니다. FLOW-3D의 결함 예측 기능은 프로세스를 이해하고 최적화하는데 매우 중요합니다.

Fig. 7. Comparison of mold filling times for a plate pattern with three ingates: (a) measured values by thermometric technique [18]; (b) predicted filling times based on basic CHTC model with gravity effect; and (c) predicted filing times based on the VHTC model with heat transfer coefficient changing with gas pressure; (d) mold filling time at the right-and wall of the mold for the plate pattern with three ingates.
Fig. 7. Comparison of mold filling times for a plate pattern with three ingates: (a) measured values by thermometric technique [18]; (b) predicted filling times based on basic CHTC model with gravity effect; and (c) predicted filing times based on the VHTC model with heat transfer coefficient changing with gas pressure; (d) mold filling time at the right-and wall of the mold for the plate pattern with three ingates.
Fig. 10. Defects formation predicted by (a) basic CHTC model with gravity effect; (b) VHTC model with heat transfer coefficient based on both gas pressure and coating thickness; and (c) improved model for two ingates. Color represents probability for defects (blue is the lowest and red highest).
Fig. 10. Defects formation predicted by (a) basic CHTC model with gravity effect; (b) VHTC model with heat transfer coefficient based on both gas pressure and coating thickness; and (c) improved model for two ingates. Color represents probability for defects (blue is the lowest and red highest).
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References

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[3] C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of Fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, J. Comp. Phys. 39 (1) (1981) 201–225.
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[6] S.M.H. Mirbagheri, H. Esmaeileian, S. Serajzadeh, N. Varahram, P. Davami, Simulation of melt flow in coated mould cavity in the lost foam casting process, J. Mater. Process. Technol. 142 (2003) 493–507.
[7] J.-H. Kuo, J.-C. Chen, Y.-N. Pan, W.-S. Hwang, Mold filling analysis in lost foam casting process for aluminum alloys and its experimental validation, Mater. Trans. 44 (10) (2003) 2169–2174.
[8] C.W. Hirt, Flow-3D User’s Manual, Flow Science Inc., 2005.
[9] E.S. Duff, Fluid flow aspects of solidification modeling: simulation of low pressure die casting, The University of Queensland, Ph.D. Thesis, 1999.
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Materials Processes, Minerals, Metals and Materials Society, 2004, pp. 245–251.
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[13] X.J. Liu, S.H. Bhavnani, R.A. Overfelt, Measurement of kinetic zone temperature and heat transfer coefficient in the lost foam casting process, ASME Int. Mech. Eng. Congr. (2004) 411–418.
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[17] D. Wang, Thermophysical Properties, Solidification Design Center, Auburn University, 2001.
[18] S. Shivkumar, B. Gallois, Physico-chemical aspects of the full mold casting of aluminum alloys, part II: metal flow in simple patterns, AFS Trans. 95 (1987) 801–812.

Simulation Gallery

Simulation Gallery

Simulation Gallery | 시뮬레이션 갤러리

시뮬레이션 비디오 갤러리에서 FLOW-3D  제품군으로 모델링 할 수 있는 다양한 가능성을 살펴보십시오 .

적층 제조 시뮬레이션 갤러리

FLOW-3D AM 은 레이저 파우더 베드 융합, 바인더 제트 및 직접 에너지 증착과 같은 적층 제조 공정을 시뮬레이션하고 분석합니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을 위한 수지 침투 및 확산에 대한 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다. 

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=AH7I4z-DlfE[/embedyt]

Multi-material Laser Powder Bed Fusion | FLOW-3D AM

Micro and meso scale simulations using FLOW-3D AM help us understand the mixing of different materials in the melt pool and the formation of potential defects such as lack of fusion and porosity. In this simulation, the stainless steel and aluminum powders have independently-defined temperature dependent material properties that FLOW-3D AM tracks to accurately capture the melt pool dynamics. Learn more about FLOW-3D AM’s mutiphysics simulation capabilities at https://www.flow3d.com/products/flow3…

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Laser Welding Simulation Gallery

FLOW-3D WELD 는 레이저 용접 공정에 대한 강력한 통찰력을 제공하여 공정 최적화를 달성합니다. 더 나은 공정 제어로 다공성, 열 영향 영역을 최소화하고 미세 구조 진화를 제어 할 수 있습니다. 레이저 용접 공정을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D WELD 는 레이저 열원, 레이저-재료 상호 작용, 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 응고, 다중 레이저 반사 및 위상 변화를 특징으로 합니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=abbv8FE5J5E[/embedyt]

Keyhole welding simulation | FLOW-3D WELD

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물 및 환경 시뮬레이션 갤러리

FLOW-3D 는 물고기 통로, 댐 파손, 배수로, 눈사태, 수력 발전 및 기타 수자원 및 환경 공학 과제 모델링을 포함하여 유압 산업에 대한 많은 응용 분야를 가지고 있습니다. 엔지니어는 수력 발전소의 기존 인프라 용량을 늘리고, 어류 통로, 수두 손실을 최소화하는 흡입구, 포 이베이 설계 및 테일 레이스 흐름을위한 개선 된 설계를 개발하고, 수세 및 퇴적 및 공기 유입을 분석 할 수 있습니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=TW0TS_56pag[/embedyt]

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금속 주조 시뮬레이션 갤러리

FLOW-3D CAST  에는 캐스팅을 위해 특별히 설계된 광범위하고 강력한 물리적 모델이 포함되어 있습니다. 이러한 특수 모델에는 lost foam casting, non-Newtonian fluids, and die cycling에 대한 알고리즘이 포함됩니다. FLOW-3D CAST 의 강력한 시뮬레이션 엔진과 결함 예측을 위한 새로운 도구는 설계주기를 단축하고 비용을 절감 할 수 있는 통찰력을 제공합니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=UCjvPcIy4E8[/embedyt]

HPDC |Comparison of slow shot profiles and entrained air during a filling simulation |FLOW-3D CAST

Shown is a video comparing two slow shot profiles. The graphs highlight the shot profiles through time and the difference in entrained air between the slow shots. Note the lack of air entrained in shot sleeve with calculated shot profile which yields a much better controlled flow within the shot sleeve.

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Coastal & Maritime Applications | FLOW-3D

FLOW-3D는 선박 설계, 슬로싱 다이내믹스, 파동 충격 및 환기 등 연안 및 해양 애플리케이션에 이상적인 소프트웨어입니다. 연안 애플리케이션의 경우 FLOW-3D는 연안 구조물에 심각한 폭풍과 쓰나미 파장의 세부 정보를 정확하게 예측하고 플래시 홍수 및 중요 구조물 홍수 및 손상 분석에 사용됩니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=0WkmdSpYvM0[/embedyt]
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주조 분야

Metal Casting

주조제품, 금형의 설계 과정에서 FLOW-3D의 사용은 회사의 수익성 개선에 직접적인 영향을 줍니다.
(주)에스티아이씨앤디에서는  FLOW-3D를 통해 해결한 수많은 경험과 전문 지식을 엔지니어와 설계자에게 제공합니다.

품질 및 생산성 문제는 빠른 시간 안에 시뮬레이션을 통해 예측 가능하므로 낮은 비용으로 해결 할수 있습니다. FLOW-3D는 특별히 주조해석의 정확성 향상을 위한 다양한 설계 물리 모델들을 포함하고 있습니다.

이 모델에는 Lost Foam 주조, Non-newtonian 유체 및 금형의 다이싸이클링 해석에 대한 알고리즘 등을 포함하고 있습니다. 시뮬레이션의 정확성과 주조 제품의 품질을 향상시키고자 한다면, FLOW-3D는 여러분들의 이러한 요구를 충족시키는 제품입니다.

Ladle Pour Simulation by Nemak Poland Sp. z o.o.

 
 
Bibliography
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  • Core Gas
  • Thermal Stress Evolution
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Case Studies
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FLOW-3D CAST 2025R1

FLOW-3D CAST

FLOW-3D CAST 2025R1은 주조 엔지니어가 복잡한 비철 주조에서 더 나은 품질, 효율성 및 정밀도를 달성할 수 있도록 지원합니다. 이번 릴리스에는 응고 및 수축 모델, HPDC의 샷 슬리브 모델, 밸브 모델에 대한 개선 사항이 포함되어 있습니다.

응고 수축 모델 개선 사항
이번 신제품에는 새로운 EXODUS 형식의 다공성 출력이 수정된 개선된 응고 수축 모델이 포함되어 있어 사용자가 다공성 분석과 해석을 간소화할 수 있습니다. 이제 다공성 출력에는 분해된 수축 다공성이 포함되어 엔지니어가 누출 경로를 더 잘 시각화할 수 있도록 도와줍니다.

샷 슬리브의 응고된 금속 처리 개선
고압 다이캐스팅(HPDC)에서는 샷 슬리브의 초기 응고로 인해 완성된 주조물의 콜드 셧 및 오선과 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 이제 사용자는 다공성 기반 응고 모델을 사용하여 샷 슬리브에서 응고된 금속의 움직임을 포착할 수 있으며, 충전 시 훨씬 더 정확한 열 프로파일을 제공합니다.

EXODUS 파일 형식의 새로운 다공성 표현은 단일 다공성 출력에서 금속의 다공성뿐만 아니라 해상된 수축을 더 잘 설명합니다.

개선된 밸브 모델
FLOW-3D CAST의 밸브와 통풍구 부품은 주조 어셈블리의 환기 시스템을 모델링하는 데 사용되며, 이는 주조 부품의 결함을 제거하는 데 매우 중요할 수 있습니다. 이제 사용자는 밸브와 통풍구에서 배출될 수 있는 목표 금속 부피를 지정하여 개선된 밸브 모델을 통해 최종 결함 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있습니다.

새로운 밸브 모델은 금속이 밸브를 통해 배출될 수 있도록 하여, 흐름 결함이 어디로 가는지 더 정확하게 표현합니다 (아래쪽)

FLOW-3D CAST 2024R1은 영구 금형 주조를 위한 여러 가지 개선 사항을 포함하고 있으며, 그 중 첫 번째는 Thermal die cycling 시뮬레이션에서 보다 시각적으로 편리한 냉각 채널 설정입니다. 이를 통해 냉각 채널 타이밍 설정을 더 쉽게 하고 입력 오류의 가능성을 줄일 수 있습니다. 이 개선 사항은 각 냉각 채널이 활성화되는 시점과 관련 속성을 쉽게 확인할 수 있도록 합니다.

Cooling channel setup
냉각 채널은 이제 다른 공정 타이밍과 함께 표시되어 복잡한 시스템을 간단하고 시각적으로 표현합니다.

또한, 간단한 스프레이/금형 처리 모델을 확장하여 캐비티뿐만 아니라 파팅 라인에도 스프레이할 수 있는 옵션을 추가했습니다. 이를 통해 이러한 유형의 금형 처리 방식을 쉽게 그리고 현실적으로 표현할 수 있어 더 나은 열 예측을 할 수 있습니다. 유사하게, 이제 Thermal die cycling 시뮬레이션 중에 플런저의 움직임을 고려하여 열 예측의 정확성을 향상시켰습니다.

또 다른 개발 사항은 초기 단계 금형 설계에서 더 빠른 열 해석을 제공하면서도 해석의 정확도를 유지할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 새로운 열 전달 모드를 기하학적 형태에 대해 활성화하여 사용합니다.

FLOW-3D CAST 2024R1에는 두 가지 새로운 출력이 추가되었습니다. 첫 번째는 금형에 대한 특정 열 전달로, 금형으로 전달되는 열의 속도를 저장하고 금형의 다양한 위치에서 필요한 냉각 능력에 대한 통찰을 제공합니다. 두 번째 출력은 공동 발생 하중으로, 공동 손상이 발생할 가능성이 있는 영역을 표시합니다.

금형으로의 열전달량 표현
Cavitation load
공동 발생 하중

마지막으로, 사용자 기대에 더 맞도록 기존 모델에 두 가지 조정을 추가했습니다. 첫 번째는 밸브가 가장 가까운 open volume에 적용되도록 수정하여, 금형 표면이 실수로 밸브를 비활성화하는 가능성을 없앴습니다. 두 번째 조정은 모델을 사용할 때 플런저 가속도의 기본 한계를 더 현실적으로 설정한 것입니다. 이전의 기본값은 노이즈가 발생될 가능성이 있었습니다.

새로운 결과 파일 형식

FLOW-3D POST 2023R2는 EXODUS II 형식을 기반으로 하는 완전히 새로운 결과 파일 형식을 도입하여 더 빠른 후처리를 가능하게 합니다. 이 새로운 파일 형식은 크고 복잡한 시뮬레이션의 후처리 작업에 소요되는 시간을 크게 줄이는 동시에(평균 최대 5배!) 다른 시각화 도구와의 연결성을 향상시킵니다.

FLOW-3D POST 2023R2 에서 사용자는 이제 flsgrf , EXODUS II 또는 flsgrf 및 EXODUS II 파일 형식 으로 선택한 데이터를 쓸 수 있습니다 . 새로운 EXODUS II 파일 형식은 각 객체에 대해 유한 요소 메쉬를 활용하므로 사용자는 다른 호환 가능한 포스트 프로세서 및 FEA 코드를 사용 하여 FLOW-3D 결과를 열 수도 있습니다. 새로운 워크플로우를 통해 사용자는 크고 복잡한 사례를 신속하게 시각화하고 임의 슬라이싱, 볼륨 렌더링 및 통계를 사용하여 보조 정보를 추출할 수 있습니다.

새로운 결과 파일 형식은 솔버 엔진의 성능을 저하시키지 않으면서 flsgrf 에 비해 시각화 작업 흐름에서 놀라운 속도 향상을 자랑합니다.

FLOW-3D POST의 표면 LIC
FLOW-3D POST 의 새로운 EXODUS II 파일 형식 및 Surface LIC 표현의 예

이 흥미로운 새로운 개발은 결과 분석의 속도와 유연성이 향상되어 사용자에게 원활한 시뮬레이션 경험을 제공합니다. FLOW-3D POST 의 새로운 시각화 기능 에 대해 자세히 알아보세요 .

정수압 초기화

사용자가 사전 정의된 금속 영역에서 정수압을 초기화해야 하는 경우가 종종 있습니다. 크고 복잡한 시뮬레이션에서는 정수압 솔버의 수렴 속도가 느려지는 경우가 있습니다. FLOW-3D CAST 2023R2는 정수압 솔버의 성능을 크게 향상시켜 전처리 단계에서 최대 6배 빠르게 수렴할 수 있도록 해줍니다.

새로운 TDC(열 다이 사이클링) 모델

열 다이 사이클링 - 샷 슬리브
새로운 Thermal Die Cycling 모델로 예측된 ​​샷 슬리브의 온도 분포

FLOW-3D CAST 2023R2 의 재설계된 열 다이 사이클링(TDC) 모델은 고압 다이 캐스팅 및 기타 영구 금형 주조 공정의 프로세스 시트와 더 잘 일치하는 더 간단하고 직관적인 설정 프로세스를 제공합니다. 

이제 TDC 시퀀스는 충전 단계의 시작 부분 에서 시작되어 하위 프로세스 전반에 걸쳐 시간에 따른 냉각/가열 라인 정의에 대한 더 높은 정확성과 정렬을 제공합니다. 향상된 스프레이 냉각 모델을 통해 사용자는 부품별로 처리 일정을 정의할 수 있을 뿐만 아니라 스프레이, 세척 및 코팅 처리에 대한 옵션을 처방할 수 있습니다. 슬라이더 동작도 포함되며 이제 냉각 채널과 가열 요소가 슬라이더와 함께 이동합니다. 

이러한 기능은 다양한 단계, 일정, 이동, 처리 및 조립 단계를 보여주는 깔끔하고 직관적인 프로세스 개요를 제공하는 새로운 Thermal Die Cycling 대화 상자를 통해 제어됩니다.

FLOW-3D CAST의 열 다이 사이클링 대화상자
FLOW-3D CAST 의 새로운 Thermal Die Cycling 대화 상자

이러한 개발은 개선된 열 솔루션뿐만 아니라 TDC와 관련된 공정의 응고 및 납땜에 대한 더 나은 예측을 촉진합니다.

FLOW-3D CAST 2023R1 의 새로운 기능

FLOW-3D 소프트웨어 제품군의 모든 제품은 2023R1에서 IT 관련 개선 사항을 받았습니다. 

FLOW-3D CAST 2023R1은 이제 Windows 11 및 RHEL 8을 지원합니다. Linux 설치 프로그램은 누락된 종속성을 보고하도록 개선되었으며 더 이상 루트 수준 권한이 필요하지 않으므로 설치가 더 쉽고 안전해집니다. 그리고 워크플로를 자동화한 분들을 위해 입력 파일 변환기에 명령줄 인터페이스를 추가하여 스크립트 환경에서도 워크플로가 업데이트된 입력 파일로 작동하는지 확인할 수 있습니다.

FLOW-3D CAST 2023R1 의 고급 기능을 통해 사용자는 다음을 수행할 수 있습니다.

  • 기가캐스팅 제작 시 등 샷 성능 최적화
  • 툴링 마모 해결
  • 고급 탄소강 및 저합금강 주조 시뮬레이션
  • 거시적 분리의 효과를 설명합니다.

플런저 모션 개선

우리는 슬로우 샷 계산기를 개선하여 정확성을 높이고, 공기 혼입을 줄이며, 낮은 충전 수준을 더 잘 처리할 수 있도록 유효성 범위를 확장했습니다. 또한 사용자 인터페이스를 간소화했으며 향상된 슬로우 샷 계산기와 결합하여 인상적인 결과를 제공합니다. 이제 플런저 위치 또는 시간 기반 정의에서 슬로우 샷 계산기의 데이터를 쉽게 사용할 수 있습니다. 새로운 계산기는 또한 슬로우 샷이 끝날 때 혼입되는 공기를 크게 줄이는 세련된 샷 프로필을 제공합니다.

슬로우 샷 계산기 개선
2007년 슬로우 샷 계산기와 2022년 버전 비교. 슬로우 샷이 끝나면 새 계산기를 사용하여 동반 공기량이 감소하는 것을 확인하십시오.

확장된 PQ 2 분석

대형 주조는 계산 비용이 많이 들고 기가 주조는 시뮬레이션 소프트웨어를 한계까지 밀어붙일 수 있습니다. 속도 경계 조건이나 금속 입력을 사용하여 샷 슬리브와 플런저를 근사화하는 것은 런타임을 줄이는 유용한 단순화 방법입니다. 그러나 PQ 

2 분석 없이는 HPDC 기계가 한계에 가깝게 작동하고 예상대로 작동하지 않아 부품 품질을 위협하는지 알 수 없습니다. 

우리는 매우 유능한 PQ 2 분석을 수행 하고 이를 금속 입력 및 속도 경계 조건에 적용하여 이 문제를 해결했습니다. 이는 가장 크고 가장 복잡한 주조에서도 충전 정확도를 유지하면서 처리 시간을 크게 줄이는 것을 의미합니다.

Mold Erosion Prediction | FLOW-3D CAST

주조 금형과 다이는 기계적 스트레스 요인을 포함한 다양한 이유로 마모됩니다. 기존 전단 하중 측정법은 이 마모를 연구할 때 도움이 되지만 지금까지는 금형에 대한 금속의 충돌을 설명하지 못했고 모래 주조 금형에 포함된 모래의 최종 위치를 예측할 수 없었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 이 마모 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있도록 새로운 출력을 추가했습니다. 새로운 출력에는 이러한 유형의 침식이 발생할 가능성이 있는 지역과 모래 함유물의 예상 위치가 표시됩니다.

다이 솔더링 예측

알루미늄 주조에 사용되는 영구 다이는 용융된 알루미늄이 다이의 철과 결합하여 화학적 마모를 겪게 되며, 이는 부품 품질뿐만 아니라 다이의 수명과 유지 관리 요구 사항에 영향을 미치는 땜납을 형성합니다. 이 마모 메커니즘의 중요성으로 인해 우리는 납땜의 위치와 심각도를 모두 예측하는 모델을 구축하게 되었습니다.

다이 솔더링 시뮬레이션
시뮬레이션된 솔더(왼쪽)와 관찰된 솔더(오른쪽, 빨간색). 사진은 다이에 관한 것이지만 시뮬레이션에서는 부품을 보여주기 때문에 이미지가 거울처럼 보입니다.

화학 기반 탄소 및 저합금강 응고 모델

우리의 장기 개발 목표 중 하나의 결과는 석출 반응, 응고 및 재용해 경로, 미세 구조 특징 및 결함을 정확하게 설명하는 탄소강 및 저합금강에 대한 강력한 화학 기반 응고 모델 입니다. 이 모델은 또한 중요한 3상 포정반응과 델타 페라이트에서 오스테나이트로의 전이로 인한 대량 수축과 관련된 결함을 설명합니다.

이 모델은 실험과의 탁월한 일치를 보여주며, 예를 들어 과포정 합금이 응고가 끝날 때 페라이트 영역을 개발할 수 있는 이유와 같은 비직관적이고 시간 의존적인 동작에 대한 통찰력을 제공합니다.

수축 예측 검증

거시 분리 예측

대규모 분리는 주조품의 품질과 다운스트림 처리에 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 이를 화학 기반 응고 모델에 추가했습니다. 이 모델은 매크로 분리 관련 결함이 발생할 수 있는 위치를 예측하므로 캐스팅 전에 이를 예측하고 완화할 수 있습니다.

시뮬레이션 대 실험 강철 주조
강철 주조에 대한 실험과 시뮬레이션 결과를 비교합니다. WT Adams, Jr. 및 KW Murphy, “주강 주물에서 라이저 아래의 심각한 화학 물질 분리를 방지하기 위한 최적의 완전 접촉 상단 라이저”, AFS Trans., 88(1980), pp. 389-404

FLOW-3D CAST 2022R2 의 새로운 기능

FLOW-3D CAST 2022R2 제품군 출시로 Flow Science는 FLOW-3D CAST 의 워크스테이션과 HPC 버전을 통합하여 단일 노드 CPU 구성에서 다중 노드 병렬 고성능 컴퓨팅 실행. 추가 개발에는 점탄성 흐름을 위한 새로운 로그 형태 텐서 방법, 지속적인 솔버 속도 성능 개선, 고급 냉각 채널 및 팬텀 구성요소 제어, 개선된 동반 공기 기능이 포함됩니다.

통합 솔버

우리는  FLOW-3D 제품을 단일 통합 솔버로 마이그레이션하여 로컬 워크스테이션이나 고성능 컴퓨팅 하드웨어 환경에서 원활하게 실행했습니다.

많은 사용자가 노트북이나 로컬 워크스테이션에서 모델을 실행하지만, 고성능 컴퓨팅 클러스터에서도 더 큰 모델을 실행합니다. 2022R2 릴리스에서는 통합 솔버를 통해 사용자가 HPC 솔루션의 OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화와 동일한 이점을 활용하여 워크스테이션과 노트북에서 실행할 수 있습니다.

성능 확장의 예
증가하는 CPU 코어 수를 사용한 성능 확장의 예
메쉬 분해의 예
OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화를 위한 메시 분해의 예

솔버 성능 개선

멀티 소켓 워크스테이션

다중 소켓 워크스테이션은 이제 매우 일반적이며 대규모 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 새로운 통합 솔버를 사용하면 이러한 유형의 하드웨어를 사용하는 사용자는 일반적으로 HPC 클러스터 구성에서만 사용할 수 있었던 OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화를 활용하여 모델을 실행할 수 있어 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있습니다.

낮은 수준의 루틴으로 향상된 벡터화 및 메모리 액세스

대부분의 테스트 사례에서 10~20% 정도의 성능 향상이 관찰되었으며 일부 사례에서는 20%를 초과하는 런타임 이점이 나타났습니다.

정제된 체적 대류 안정성 한계

시간 단계 안정성 제한은 모델 런타임의 주요 동인이며, 2022R2에서는 새로운 시간 단계 안정성 제한인 3D 대류 안정성 제한을 숫자 위젯에서 사용할 수 있습니다. 실행 중이고 대류가 제한된(cx, cy 또는 cz 제한) 모델의 경우 새 옵션은 일반적인 속도 향상을 30% 정도 보여줍니다.

압력 솔버 프리컨디셔너

경우에 따라 까다로운 흐름 구성의 경우 과도한 압력 솔버 반복으로 인해 실행 시간이 길어질 수 있습니다. 이러한 어려운 경우 2022R2에서는 모델이 너무 많이 반복되면 FLOW-3D가 자동으로 새로운 사전 조절기를 활성화하여 압력 수렴을 돕습니다. 테스트의 런타임은 1.9에서 335까지 더 빨라졌습니다!

점탄성 유체에 대한 로그 형태 텐서 방법

점탄성 유체에 대한 새로운 솔버 옵션을 사용자가 사용할 수 있으며 특히 높은 Weissemberg 수에 효과적입니다.

활성 시뮬레이션 제어 확장

능동 시뮬레이션 제어 기능이 확장되어 연속 주조 및 적층 제조 응용 분야에 일반적으로 사용되는 팬텀 개체는 물론 주조 및 기타 여러 열 관리 응용 분야에 사용되는 냉각 채널에도 사용됩니다.

팬텀 물체 속도 제어의 예
연속 주조 응용 분야에 대한 가상 물체 속도 제어의 예
동적 열 제어의 예
융합 증착 모델링 애플리케이션을 위한 동적 열 제어의 예
동적 냉각 채널 제어의 예
산업용 탱크 적용을 위한 동적 냉각 채널 제어의 예

FLOW-3D CAST 아카이브 의 새로운 기능

FLOW-3D CAST는 다양한 금속 주조 해석이 가능한 완벽한 열유동 해석 프로그램으로, 매우 정확한 모델링과 다기능성, 사용 용이성 및 고성능 클라우드 컴퓨팅 기능을 결합한 최첨단 금속 주조 해석 시뮬레이션 플랫폼입니다. 모든 금속 주조 공정에 대해 FLOW-3D CAST는  빠르고 직관적인 해석이 가능한 작업 공간을 제공합니다. 11개 공정에 대한 Workspace, 강력한 후처리, 충진 예측, 응고 및 결함 분석을 통해 FLOW-3D CAST는 최적의 주조 제품 설계에 필요한 도구와 로드맵을 모두 제공합니다.

FLOW-3D Cast는 거의 모든 주조 공정을 모델링 할 수 있도록 설계되었습니다. FLOW-3D Cast의 매우 정확한 유동 및 응고 결과는 표면 산화물, 혼입된 공기, 매크로 및 미세 다공성과 같은 중요한 주조 결함을 포착합니다. 다른 특별한 모델링 기능으로는 로봇 스프레이 냉각 및 윤활, 샷 슬리브 흐름 프로필, 스퀴즈 핀 및 열 응력을 모델링 할 수있는 열 다이 사이클링이 있습니다.

최적화된 시뮬레이션 설계를 통해 개발 시간을 단축하고 출시 시간을 단축하며 수율을 높일 수 있습니다. FLOW-3D CAST를 사용하면 설계 및 개발 비용을 절감할 수 있습니다.

FLOW-3D Cast Brochure Download
FLOW-3D Cast HPDC Brochure Download

FLOW-3D CAST Continuous Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Gravity Die Casting Workspace
FLOW-3D CAST HPDC WorkspaceFLOW-3D CAST Investment Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Low Pressure Sand Casting Workspace
FLOW-3D CAST Low Pressure Die Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Sand Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Sand Core Making Workspace
Lost Foam CastingFLOW-3D CAST Tilt Pour Casting
HPDC Oxides Simulation | FLOW-3D CAST
BMW Injector Casting Process – Innovative ingate system for gravity casting
Continuous Slab Casting | FLOW-3D CAST
Horizontal Centrifugal Pipe Casting | FLOW-3D CAST
FLOW-3D POST Optimal presentation

FLOW-3D POST

FLOW-3D POST 2025R1 의 새로운 기능

이 강력한 신제품은 FLOW-3D POST의 기능을 FLOW-3D 제품군 전반으로 확장합니다.

경로 추적 개선 사항
사용자는 이제 즉석에서 경로 추적 재료 속성을 추가, 편집 및 조정할 수 있으므로 복잡한 기술적 결과를 더 많은 청중에게 사실적인 렌더링으로 더욱 쉽게 전달할 수 있습니다.

Simulation of a factory chute
Simulation of a factory chute

History data 계산기

이제 FLOW-3D POST 내에서 History data에 대한 수학적 연산이 직접 가능합니다. 사용자는 업데이트된 파이썬 계산기를 이력 데이터에 적용하여 프로브 및 플럭스 표면과 같은 측정 장치의 시계열 데이터에 대한 연산을 간소화할 수 있습니다.

EXODUS 파일 포맷 성능 향상

이 릴리스는 EXODUS 객체의 렌더링을 더 부드럽고 현실적으로 개선합니다.

  • JSON / EXODUS 파일 다시 로드: 이제 사용자는 시뮬레이션이 실행되는 동안 JSON / EXODUS 파일을 다시 로드하여 시뮬레이션 워크플로우를 중단하지 않고도 진화하는 데이터를 시각화하고 분석할 수 있습니다.
  • 수정된 다공성 시각화: EXODUS 파일 형식의 다공성 출력은 수축 다공성을 해소하고 주조물 내부의 누출 경로를 더 잘 시각화할 수 있도록 수정되었습니다.
River bank simulation before and after going through FLOW-3D POST
EXODUS 출력의 측면 표면은 2025R1 이후 FLOW-3D POST에서 평활화할 수 있습니다.

FLOW-3D WELD 및 FLOW-3D AM 지원

유체, 용융 영역, 열원, 반사 및 입자를 위한 새로운 사전 구성 객체는 FLOW-3D WELD 및 FLOW-3D AM 시뮬레이션의 시각화를 용이하게 합니다. 일반적으로 사용되는 출력의 주석은 FLOW-3D POST에서 결과 파일을 열면 자동으로 제공되므로 후처리 워크플로우가 가속화됩니다.

Simulation image with annotations from FLOW-3D POST

일반적으로 사용되는 출력을 쉽게 볼 수 있어 사용자가 데이터 해석과 분석에 집중할 수 있습니다.

FLOW-3D POST 2024R1 의 새로운 기능

FLOW-3D POST 2024R1은 EXODUS II 기반의 결과를 확장하여 유체-구조 상호작용 및 열 응력을 시각화할 수 있는 기능을 제공합니다.

또한, 사용자는 이제 삼각형 격자 래스터 및 LandXML 파일을 시각화할 수 있어 모델링 영역을 둘러싼 지형을 더 쉽게 확인할 수 있습니다. 이를 통해 시뮬레이션에 대한 더 나은 컨텍스트를 제공하고, 결과에 집중할 수 있도록 돕습니다.

Land XML support
모델링 영역 내 지형(왼쪽)과 삼각형 지형(오른쪽)의 비교. 모델링 영역에는 산과 하류 계곡이 포함되지 않은 반면, 삼각형 지형은 이를 포함하여 더 우수한 컨텍스트와 명확성을 제공합니다.

마지막으로, 주조 사용자들은 기포 발생에 영향을 받는 지역과 냉각이 필요한 영역을 식별하는 데 도움이 되는 새로운 출력을 보게 될 것입니다.

FLOW-3D POST 2023R2 의 새로운 기능

새로운 결과 파일 형식

FLOW-3D POST 2023R2는 EXODUS II 형식을 기반으로 하는 완전히 새로운 결과 파일 형식을 도입하여 더 빠른 후처리를 가능하게 합니다. 이 새로운 파일 형식은 크고 복잡한 시뮬레이션의 후처리 작업에 소요되는 시간을 크게 줄이는 동시에(평균 최대 5배!) 다른 시각화 도구와의 연결성을 향상시킵니다.

FLOW-3D POST 2023R2 에서 사용자는 이제 선택한 데이터를 flsgrf , EXODUS II 또는 flsgrf 및 EXODUS II 파일 형식 으로 쓸 수 있습니다 . 새로운 EXODUS II 파일 형식은 각 객체에 대해 유한 요소 메쉬를 활용하므로 사용자는 다른 호환 가능한 포스트 프로세서 및 FEA 코드를 사용 하여 FLOW-3D 결과를 열 수도 있습니다. 새로운 워크플로우를 통해 사용자는 크고 복잡한 사례를 신속하게 시각화하고 임의 슬라이싱, 볼륨 렌더링 및 통계를 사용하여 보조 정보를 추출할 수 있습니다. 

새로운 결과 파일 형식은 hydr3d 솔버의 성능을 저하시키지 않으면서 flsgrf 에 비해 시각화 작업 흐름에서 놀라운 속도 향상을 자랑합니다.

레이 트레이싱을 이용한 화장품 크림 충전

혼입 공기 시뮬레이션

FLOW-3D POST의 표면 LIC

레이 트레이싱을 이용한 화장품 크림 충전

혼입 공기 시뮬레이션

이 흥미로운 새로운 개발은 결과 분석의 속도와 유연성이 향상되어 원활한 시뮬레이션 경험을 제공합니다. 

또한 FLOW-3D POST 2023R2 는 최신 버전의 ParaView로 업그레이드되었으며 ParaView 5.11.1 과 관련된 개선 사항을 제공합니다 .

새로운 시각화 기능

임의의 클립 및 슬라이스를 매끄럽게 만듭니다.

EXODUS II 파일 형식을 사용하면 사용자는 모든 방향에서 부드러운 슬라이스를 생성할 수 있으므로 보고 싶은 대로 정확히 흐름을 시각화하는 것이 더 쉬워집니다.

아크형 웨어 시뮬레이션
호형 위어 위의 흐름 방향에 맞춰 정렬된 슬라이스입니다. Surface LIC 표현에서 매끄러운 표면과 유선형을 확인하세요.

모델 출력의 더 나은 정량화

EXODUS II 파일은 체적 개체이므로 흐름의 특성을 더 쉽게 정량화할 수 있습니다. 예를 들어, 아래 표시된 주조 응고 시뮬레이션에서 오른쪽 패널은 히스토그램을 사용하여 주조의 다공성 분포를 설명할 수 있는 방법을 보여줍니다. 마찬가지로 접촉 탱크의 예는 시간이 지남에 따라 소독제 및 병원체 농도 분포가 어떻게 변화하는지 보여주므로 설계 요구 사항이 충족되었는지 여부를 보여주는 데 도움이 됩니다. 

주조 응고 결과

접촉식 탱크 시뮬레이션의 진화

향상된 광선 추적

광선 추적은 기술적인 청중과 비기술적인 청중 모두에게 결과를 전달하는 데 유용한 도구이며 EXODUS II 파일 형식에서 사용할 수 있는 체적 데이터는 이 시각화 방법과 잘 작동합니다.

광선 추적을 사용한 병 채우기 시뮬레이션
FLOW-3D POST 의 뛰어난 광선 추적 기능을 보여주는 병 채우기 시뮬레이션

Surface LIC로 유동장 표현

새로운 Surface LIC 시각화 도구는 흐름 선단이 함께 모이는 재순환 및 불감대뿐만 아니라 온도, 오염 물질 등의 일반적인 이동을 강조하여 흐름장을 시각화하는 데 도움이 됩니다.

FLOW-3D POST의 표면 LIC
FLOW-3D POST 의 새로운 EXODUS II 파일 형식 및 Surface LIC 표현의 예

애니메이션 유선형

애니메이션 유선형은 표준 보기에서 보기 어려울 수 있는 흐름의 내부 구조에 대한 세부 정보를 시각화하는 데 도움이 됩니다.

FLOW-3D POST 2023R1 의 새로운 기능

FLOW-3D POST 2023R1은 기본 MP4 지원을 갖춘 업데이트된 ParaView 엔진, 쉬운 설치를 위한 자동 종속성 테스트 기능을 갖춘 간소화된 Linux 설치 프로그램, Windows 11 및 RHEL 8 지원을 특징으로 합니다.

단위 표시

단위는 엔지니어링 분석 결과를 해석하고 전달하는 핵심 부분입니다. FLOW-3D POST 2023R1 에서는 단위가 결과 파일에서 자동으로 판독되고 공간 및 히스토리 플롯의 범례에 설정되므로 시뮬레이션 결과를 쉽게 해석하고 전달할 수 있습니다.

FLOW-3D POST 장치 디스플레이

자동 PQ 2 플롯

FLOW-3D CAST는 수년 동안 PQ 2 분석을 통해 HPDC 기계 성능에 대한 정보를 제공해 왔으며 이제 FLOW-3D POST 에서 시각화를 지원하도록 이 기능을 확장했습니다. PQ 2 정보는 사전 정의된 플롯에 자동으로 요약되므로 플롯의 가시성을 전환하여 기계가 주조 작업을 수행하는 방식을 확인하기만 하면 됩니다 . 추가적인 이점은 데이터와 시간을 비교하여 압력이 기계 성능을 초과하는 시기를 확인할 수도 있다는 것입니다.

자동-pq2-플롯-flow3d-post-2023r1

입자 시각화

우리는 상호 작용을 보다 직관적으로 만들고 다른 응용 프로그램에서 사용하기 위해 입자를 STL 파일로 쉽게 내보내거나 FLOW-3D AM 의 경우 분말 용융 시뮬레이션의 초기 조건으로 내보낼 수 있도록 입자를 표시하는 방법을 다시 검토했습니다. FLOW-3D POST 2023R1 에서는 배율 1을 사용하여 입자의 물리적 크기를 신속하게 표시하고 파일 > 데이터 저장 옵션을 사용하여 입자를 STL로 저장할 수 있습니다.

FLOW-3D POST 2023R1의 입자 시각화

FLOW-3D POST 2022R1 의 새로운 기능

FLOW-3D POST 2022R1은 FLOW-3D 의 포스트 프로세서 에 세 가지 중요한 개발을 제공합니다. 즉, 간소화된 2D 슬라이싱, ParaView의 Python 도구를 사용한 고급 자동화, 향상된 포스트 프로세싱 렌더링 속도입니다.

2D 슬라이싱 기능

2D 슬라이싱 기능이 확장되고 간소화되어 작업이 더욱 간단해지고 강력해졌습니다. FLOW-3D POST 사용자는 이제 슬라이스 표면의 벡터 표현과 여러 색상 변수를 사용하여 2D 슬라이스를 빠르게 생성할 수 있습니다. 이 2분짜리 비디오는 새로운 2D 슬라이스 기능의 예를 제공합니다.

파이썬 도구

2022R1에 ParaView의 Python 도구가 추가되면 FLOW-3D POST 의 자동화 기능이 확장 되어 반복 작업을 자동화하는 매크로는 물론 클릭 한 번으로 전체 결과 세트를 생성하는 일괄 후처리도 포함됩니다. 특정하거나 정교한 유형의 후처리, 시뮬레이션 후 시뮬레이션을 표시하려는 경우 출력을 표준화하고 후처리 작업을 자동화할 수 있는 이러한 새로운 기능을 통해 엄청난 이점을 얻을 수 있습니다.

일괄 후처리를 사용하면 후처리 작업을 사전 정의하는 스크립트 또는 상태 파일을 사용하여 명령줄에서 후처리할 수 있으므로 DOE, 매개변수 스윕 또는 자동화된 워크플로우로 인한 여러 결과 파일에 대한 이미지 및 애니메이션 생성이 용이해집니다. 배치 스크립트 또는 상태 파일을 다양한 결과 파일이나 시뮬레이션 결과 파일의 전체 작업 공간에 적용하여 각 사례에 대해 원하는 출력을 빠르고 일관되게 생성할 수 있습니다. 또한 단일 결과 파일에 대한 일련의 다양한 시각화 출력을 생성하는 데 활용할 수도 있습니다.

PvBatch와 매크로를 통합하여 사용자 사이트 에서 후처리 워크플로를 쉽게 자동화하고 가속화하는 방법에 대한 30분짜리 비디오 튜토리얼에 액세스하십시오 .

성능 향상

우리는 또한 후처리 속도에 대해 연구해 왔으며 FLOW-3D POST 2022R1은 일반적으로 FLOW-3D POST v1.1 보다 10%-30% 더 빠르지 만 정확한 속도 향상은 시뮬레이션 및 출력 세부 사항에 따라 다릅니다. 오른쪽의 몇 가지 예는 성능 향상을 보여줍니다.

샘플 시뮬레이션속도를 올리다
미로 위어1.3배
벨하우징 주조1.14배
유체-구조 상호작용1.2배

코어 가스(Core Gas)

코어 가스(Core Gas)

 

코어로 주조 모델링 (Modeling Castings with Cores)

모래 속의 화학 결합제는 용융 된 금속에 의해 가열 될 때 가스를 생성 할 수 있으며 적절하게 환기되지 않으면 가스가 금속으로 흘러 가스의 다공성 결함이 발생할 수 있습니다. 이것은 빠르게 가열되고 긴 환기 경로를 갖는 주물의 얇은 내부 특징을 형성하는 코어에서 가장 가능성이 높습니다. FLOW-3D CAST의 코어 가스 모델은 이러한 가스 결함의 가능성을 예측하고 코어에서 모든 갇히는 가스들을 안전하게 배출 할 수있는 코어 벤팅을 설계하는 데 도움이됩니다.

 

알루미늄 및 철 주조의 결함 모델링 (Modeling Defects in Aluminum and Iron Castings)

‘Core Gas’ 모델은 철 주물 (그림 1)과 알루미늄 주물 (그림 2) 모두에서 수지 결합 코어의 결함을 예측합니다. 충전 및 응고 모델과 동시에 작동이 가능하며 주조의 충전 중 및 충전 후 갇히는 가스 생성 및 흐름을 계산합니다.

 

그림 1 : 열린 플라스크 부분 V8 Al 블록 어셈블리의 채우기. 두 개의 코어는 블록의 워터 재킷 공동을 형성합니다. 플라스크 바닥에 Al이 20 초 안에 채워집니다.

그림 2 : 환기가 되지 않을 때 워터 재킷 코어는 충전 중에 금속에 가스를 불어 넣습니다.

FLOW-3D CAST – Metal Casting Simulation Software Video Gallery

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FLOW-3D CAST – Metal Casting Simulation Software Video Gallery

FLOW-3D CAST에는 캐스팅을 위해 특별히 설계된 광범위하고 강력한 물리적 모델이 포함되어 있습니다. 이러한 특수 모델에는 Lost Foam Casting, 비 뉴턴 유체 및 다이에 대한 알고리즘이 포함됩니다.

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FLOW-3D CAST – Metal Casting Simulation Gallery

ADDITIVE MANUFACTURING APPLICATIONS

Facebook 시뮬레이션 갤러리로 이동

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FLOW FSAI

F.SAI module

FSAI는 유체-구조 연성해석을 쉽게 할 수 있는 프로그램으로 FLOW-3D / FLOW-3D MP 해석 결과 데이터(유체 압력, 유체 온도, 벽 온도)를 구조 해석의 유한 요소(FEM) Mesh에 출력할 수 있습니다.  반대로 구조 해석의 유한 요소(FEM) Mesh 데이터를 FLOW-3D Solid 형상으로 읽어 처리 할 수 있습니다.

F.SAI는 FLOW Science Japan 개발 제품입니다.

F.SAI module Features

  • Transfer fluid pressures , temperature, and wall temperature
  • FLOW-3D® & FLOW-3D ®/MP support (Multi block support)
  • Support for Solid / Shell FEA meshes ( can be intermixed )
  • Node probe search distance
  • Automatic local interpolation on element faces
  • Add default value for nodes with no probe values
  • Limit the probe values to a given Min/Max values of the probe output
  • Runs in standalone mode ( does not require FLOW-3D ® or FEA package to be installed on the same machine )
  • Platforms: Windows 64 bit / Linux 64 bit

F.SAI module Features (Supported Features)

  • NASTRAN  (Bulk Data)
  • SIMULA  Abaqus ( version 6 and above )
  • MSC Mentat Marc 2012 (comma separated / fixed column format)
  • Altair HyperWorks OptiStruct
  • Altair HyperWorks Radioss
  • Calclix

Transfer verification sample

Comparison

 

Transfer example: Casting

FLOW-3D® result

Structure analysis

 

Transfer example: Hydraulics

 

FLOW-3D® pressure result transferred to FEM mesh

Constraint condition

New Feature :Meshing FLOW-3D® Result

 

Example: FLOW-3D® Tank sloshing simulation

FLOW-3D® Result

 

FLOW-3D® pressure mapped on a Nastran mesh

Casting Case Study

Casting Case Study

금속 주조물의 결함을 식별하고, 가볍고 튼튼한 주조 부품을 위해 새로운 재료로 부품을 설계하거나, 최적의 설계를 위해 반복적인 설계 작업을 수행하는 것은 고객이 당사의 소프트웨어를 사용하여 작업 요구 사항을 충족하고, 고철 비율을 줄임으로써 조직의 비용을 절감하는 일부 방법입니다.

이를 통해 제품 개발 시간을 단축함으로써 제품의 시장 출시 및 경쟁 우위를 위한 시간 확보가 용이해 집니다.

Customer Case Studies

Prediction of Shrinkage Defects During Investment Casting Process
Prediction of Shrinkage Defects During Investment Casting Process
Investigation of Mould Leakages in a Gravity Casting
Increasing Productivity by Reducing Ejection Times
Detecting Porosity with the Core Gas Model
Improving High Pressure Die Casting Designs
Realizing Da Vinci’s Il Cavallo
Integration of CFD Analysis into Die-Cast Process Design
Aluminum Integral Foam Molding Process

FLOW-3D CAST Bibliography

FLOW-3D CAST bibliography

아래는 FSI의 금속 주조 참고 문헌에 수록된 기술 논문 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D CAST 해석 결과가 수록되어 있습니다. FLOW-3D CAST를 사용하여 금속 주조 산업의 응용 프로그램을 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

Below is a collection of technical papers in our Metal Casting Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D CAST results. Learn more about how FLOW-3D CAST can be used to successfully simulate applications for the Metal Casting Industry.

33-20     Eric Riedel, Martin Liepe Stefan Scharf, Simulation of ultrasonic induced cavitation and acoustic streaming in liquid and solidifying aluminum, Metals, 10.4; 476, 2020. doi.org/10.3390/met10040476

20-20   Wu Yue, Li Zhuo and Lu Rong, Simulation and visual tester verification of solid propellant slurry vacuum plate casting, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2020. doi.org/10.1002/prep.201900411

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1-95 K. Venkatesan and R. Shivpuri, Numerical Investigation of the Effect of Gate Velocity and Gate Size on the Quality of Die Casting Parts, NAMRC, 1995.

15-94 D. Liang, Y. Bayraktar, S. A. Moir, M. Barkhudarov, and H. Jones, Primary Silicon Segregation During Isothermal Holding of Hypereutectic AI-18.3%Si Alloy in the Freezing Range, Dept. of Engr. Materials, U. of Sheffield, Metals and Materials, February 1994

13-94 Deniece Korzekwa and Paul Dunn, A Combined Experimental and Modeling Approach to Uranium Casting, Materials Division, Los Alamos National Laboratory, presented at the Symposium on Liquid Metal Processing and Casting, El Dorado Hotel, Santa Fe, New Mexico, 1994

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11-94 M. R. Barkhudarov and K. A. Williams, Simulation of ‘Surface Turbulence’ Fluid Phenomena During the Mold Filling Phase of Gravity Castings, Flow Science Technical Note #41, November 1994 (FSI-94-TN41)

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2-92 M. R. Barkhudarov, H. You, J. Beech, S. B. Chin, D. H. Kirkwood, Validation and Development of FLOW-3D for Casting, School of Materials, University of Sheffield, Sheffield, UK, presented at the TMS/AIME Annual Meeting, San Diego, CA, March 3, 1992

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3-91 C. W. Hirt, A FLOW-3D Study of the Importance of Fluid Momentum in Mold Filling, presented at the 18th Annual Automotive Materials Symposium, Michigan State University, Lansing, MI, May 1-2, 1991 (FSI-91-00-2)

11-90 N. Saluja, O.J. Ilegbusi, and J. Szekely, On the Calculation of the Electromagnetic Force Field in the Circular Stirring of Metallic Melts, accepted in J. Appl. Physics, 1990

10-90 N. Saluja, O. J. Ilegbusi, and J. Szekely, On the Calculation of the Electromagnetic Force Field in the Circular Stirring of Metallic Molds in Continuous Castings, presented at the 6th Iron and Steel Congress of the Iron and Steel Institute of Japan, Nagoya, Japan, October 1990

9-90 N. Saluja, O. J. Ilegbusi, and J. Szekely, Fluid Flow in Phenomena in the Electromagnetic Stirring of Continuous Casting Systems, Part I. The Behavior of a Cylindrically Shaped, Laboratory Scale Installation, accepted for publication in Steel Research, 1990

8-89 C. W. Hirt, Gravity-Fed Casting, Flow Science Technical Note #20, July 1989 (FSI-89-TN20)

6-89 E. W. M. Hansen and F. Syvertsen, Numerical Simulation of Flow Behaviour in Moldfilling for Casting Analysis, SINTEF-Foundation for Scientific and Industrial Research at the Norwegian Institute of Technology, Trondheim, Norway, Report No. STS20 A89001, June 1989

1-88 C. W. Hirt and R. P. Harper, Modeling Tests for Casting Processes, Flow Science report, Jan. 1988 (FSI-88-38-01)

2-87 C. W. Hirt, Addition of a Solidification/Melting Model to FLOW-3D, Flow Science report, April 1987 (FSI-87-33-1)

Tilt Pour Casting Workspace, 경동주조

Tilt Pour Casting Workspace Highlights, 경동주조

  • 금형의 모션 제어
  • 최첨단 금형온도관리, 동적 냉각 채널, 스프레이 냉각, 금형온도 싸이클링
  • 정확한 가스 고립 및 기공 예측

Workspace Overview

경동주조(Tilt Pour Casting) Workspace는 엔지니어가 FLOW-3D  CAST로 경동주조(Tilt Pour Casting)을 성공적으로 모델링 할 수 있도록 설계된 직관적인 모델링 환경입니다 . 작업 공간에는 프로세스별 특정 다이 및 재료 유형이 포함되어 있으며, 정확한 기계 기능에 맞게 회전 동작을 쉽게 정의 할 수 있습니다. 

기포 결함의 완전한 분석을 위해 충진 분석에 벤트 및 배압이 포함되어 있으며, 다이사이클링 및 최신 응고 모델은 작업 공간의 하위 프로세스 아키텍처를 통해 충진시 매끄럽게 연결됩니다. Tilt Pour Casting Workspace는 단순하지만 다양한 모델링 환경에서 시뮬레이션의 모든 측면을 위한 완전하고 정확한 솔루션을 제공합니다.

Tilt Pour Simulation | FLOW-3D CAST
Tilt Pour Casting | FLOW-3D CAST
8-Cavity Tilt Pour | FLOW-3D CAST v5.1

프로세스 모델링

  • 틸트 주입
  • 역 틸트 주입

유연한 격자 생성

  • FAVOR ™ 단순 격자 생성 도구
  • 멀티 블록
  • Conforming mesh

금형 온도 관리

  • 다이 사이클링
  • 열 포화
  • 완전 열전달 모델링

고급 응고

  • 다공성 예측
  • 수축
  • 핫스팟 식별
  • 열 계수
  • 기계적 특성 예측

모래 코어

  • 핵심 가스 진화
  • 코어 특성에 대한 재료 정의

금형 동작 제어

  • 6 개의 회전축
  • 회전 속도를위한 테이블 형식 입력

결함 예측

  • 매크로 및 미세 다공성
  • 가스 다공성
  • 조기 응고
  • 산화물 형성
  • 표면 결함 분석

다이나믹 시뮬레이션 제어

  • 모션 제어를위한 이벤트 프로브 기반 트리거

완벽한 분석 패키지

  • 다중 뷰포트가있는 애니메이션-3D, 2D, 히스토리 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 병렬 시뮬레이션 결과 비교
  • 용융 온도, 고체 분율 측정 용 센서
  • 입자 추적기
  • 일괄 배치 처리
  • 보고서 생성

Lost Foam Casting Workspace, 소실모형주조

Lost Foam Casting Workspace Highlights, 소실모형주조

  • 최첨단 Foam 잔여물 추적
  • 진보된 Foam 증발 및 금속 유동 모델링
  • 응고, 다공성 및 표면 결함 분석

Workspace Overview

Lost Foam Casting Workspace(소실모형주조) 는 Lost Foam Casting에 필요한 충진, 응고 및 냉각 하위 프로세스를 시뮬레이션하는 모든 도구를 제공합니다. 각 하위 프로세스는 해석 엔지니어가 사용하기 쉬운 인터페이스를 제공하도록 맞춤화된 템플릿 디자인을 기반으로합니다.

Lost Foam Casting 의 결함은 충진 프로파일에서 추적할 수 있기 때문에  FLOW-3D  CAST 의 용탕유동 및 소실모형(foam)의 연소 시뮬레이션의 탁월한 정확도는 고품질의 Lost Foam Casting 주물을 생산하는 데 귀중한 통찰력을 제공합니다. 기포. 잔류물 형성과 같은 주입 결함은 최종 주조에서 정확하게 추적되고 처리됩니다.

Lost Foam Casting Workspace | FLOW-3D CAST
Lost Foam Residue Tracking – Filling Simulation | FLOW-3D CAST
Lost Foam Impeller Tree – Filling Simulation | FLOW-3D CAST
Lost Foam Residue Simulation | FLOW-3D CAST

PROCESSES MODELED

  • Filling
  • Solidification
  • Cooling

FLEXIBLE MESHING

  • Structured meshing for fast, easy generation
  • Multi-block meshing for localized accuracy control
  • Foam-conforming meshes for memory optimization

MOLD MODELING

  • Ceramic filters
  • Inserts – standard and porous
  • Air vents
  • Chills
  • Insulating and exothermic sleeves
  • Moving ladles and stoppers

ADVANCED SOLIDIFICATION

  • Chemistry-based solidification
  • Dimensionless Niyama criteria
  • Cooling rates, SDAS, grain size mechanical properties

FILLING ACCURACY

  • Foam/melt interface tracking
  • Gas/bubble entrapment
  • Automatic melt flow drag calculation in filters

DEFECT PREDICTION

  • Foam residue defect tracking
  • Cold shuts
  • Porosity prediction
  • Shrinkage
  • Hot spots

DYNAMIC SIMULATION CONTROL

  • Probe-controlled pouring control

COMPLETE ANALYSIS PACKAGE

  • Animations with multi-viewports – 3D, 2D, history plots, volume rendering
  • Porosity analysis tool
  • Side-by-side simulation results comparison
  • Sensors for measuring melt temperature, solid fraction
  • Particle tracers
  • Batch post-processing
  • Report generation

Sand Casting Workspace, 사형주조

Sand Casting Workspace Highlights, 사형주조

  • 모래 특성의 통합에는 투과성, 코어 가스 및 수분 함량이 포함됩니다.
  • 주입 컵 채우기 조건에 따라 동적 래들 주입 및 동적 래들 동작
  • 첨단 솔루션을 통해 정확한 가스 포집 및 다공성 제공

Workspace Overview

Sand Casting Workspace(사형주조)는 샌드 캐스터에 주입, 응고 및 냉각 분석을 시뮬레이션하는 데 필요한 모든 도구를 제공합니다. Sand Casting Workspace는 엔지니어의 언어를 사용하여, 사용이 간편한 인터페이스를 제공하도록 설계되어 있습니다.

사형주조의 결함은 흔히 충전 단계에서 추적할 수 있습니다. FLOW–3D CAST는 뛰어난 금속 흐름 예측에 대해 뛰어난 정확도를 제공하여, 쉽게 결함을 파악할 수 있습니다. 산화물 형성 및 콜드샷을 정확하게 추적하여 최종 주물에서의 발생 위치를 확인합니다. 압탕의 크기를 조정하고 핫 스팟(최종응고부)에 배치하는 한편, 진보된 응고 및 수축 분석을 통해 가장 까다로운 제조 환경에서도 최종적으로 최적화된 설계를 달성할 수 있습니다.

프로세스 모델링

  • 충전재
  • 응고
  • 냉각

유연한 메쉬

  • 빠르고 쉬운 생성을 위한 체계적인 메쉬
  • 국지적인 정확도 제어를 위한 멀티 블록 메쉬
  • 메모리 최적화를 위한 캐스팅 적합 메쉬

주형 모델링

  • 가스 및 수분 배출이 가능한 투과성 금형
  • 국소 냉각을 위한 코일
  • 다공성 및 표준 인서트
  • 세라믹 필터
  • 공기 통로

고급 응고

  • 화학 기반 응고
  • 치수 없는 니야마(Niyama ) 기준
  • 냉각 속도, SDAS, 입자 크기 기계적 특성

충전 정확도

  • 가스/버블 포획
  • 표면 산화물 형성
  • 필터의 자동 드래그 계산
  • 난류 모델링

코어 모델링

  • 가스 생성을 포함한 모래 코어
  • 소금 코어

결함 예측

  • 혼입 공기
  • 산화물 형성 및 추적
  • 콜드 샷
  • 다공성 예측
  • 수축
  • 핫 스팟

라이저 공구

  • 발열체 조립체
  • 절연 및 발열 슬리브

완전한 분석

  • 다중 뷰 포트를 사용한 애니메이션-3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 사이드 바이 사이드 시뮬레이션 결과 비교
  • 용해 온도, 고체 부분을 측정하기 위한 센서
  • 입자 추적기
  • 일괄 처리
  • 보고서 생성

Low Pressure Die Casting Workspace, 저압주조

Workspace Highlights, 저압주조

  • 매우 정확한 충진을 위한 압력 제어 주입
  • 공극, 배기 및 역압 효과를 포함한 전체 프로세스 모델링
  • 다공성과 같은 정밀한 조기 동결 및 응고 결함을 해결하기 위한 향상된 응고 및 열 전달 제어

Workspace Overview

저압주조 Workspace 는 엔지니어가 FLOW-3D CAST를 통해 저압주조 제품을 성공적으로 모델링하도록 설계된 직관적인 모델링 환경입니다. 

유연한 압력 제어를 통해 엔지니어는 가압, 벤트 및 배압 조건을 정확하게 재현하여 주입, 공기 갇힘 및 미세수축결함에 대한 완전한 분석을 수행할 수 있습니다.

금형온도해석 및 최첨단 응고 모델은 작업 공간의 서브 프로세스 아키텍처를 통해 원활하게 충전 상태에 연결됩니다. 저압주조 Workspace은 단순하면서도 다목적 모델링 환경에서 시뮬레이션의 모든 측면을 위한 완전하고 정확한 솔루션을 제공합니다.

프로세스 모델링

  • 중력 저 압력 다이 캐스트 주조

유연한 메쉬

  • FAVOR™단순 메시 생성 도구
  • 멀티 블록 메쉬
  • 중첩된 메쉬

다이 열 관리

  • 열사이 사이클
  • 열 포화도
  • 풀 열 전달 모델링

고급 응고

  • 다공성 예측
  • 수축
  • 핫 스폿 식별
  • 기계적 특성 예측
  • 마이크로 아키텍처 예측

모래 코어

  • 핵심 가스 진화
  • 코어 특성에 대한 재료 정의

진공 및 환기

  • 대화형 프로브 배치
  • 면적 및 손실 계수 계산기

LADLE운동

  • 6도의 자유 동작 정의

주입 정확도

  • 가스 및 기포 걸림
  • 표면 산화물 계산
  • RNG및 LES난류 모델
  • 배경 압력

결함 예측

  • 매크로 및 마이크로 다공성
  • 가스 다공성
  • 조기 응고
  • 산화물 형성
  • 표면 결함 분석

동적 시뮬레이션 컨트롤

  • 프로브 기반 트리거
  • 열 제어
  • 진공 및 환기 컨트롤

완전한 분석

  • 다중 뷰 포트를 사용한 애니메이션-3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 사이드 바이 사이드 시뮬레이션 결과 비교
  • 용해 온도, 고체 부분을 측정하기 위한 센서
  • 입자 추적기
  • 일괄 처리
  • 보고서 생성

Low Pressure Sand Casting (LPSC) Workspace, 저압사형주조

Workspace Highlights, 저압사형주조

  • 투과성, 코어 가스 및 수분 함량을 포함한 모래 특성 통합
  • 전체 프로세스 모델링에는 보이드, 환기 및 역압 영향이 포함됨
  • 고급 다이내믹스에는 채우기 후 고체화 틸트 동작이 포함됨

Workspace Overview

저압 사형 주조(LPSC) Workspace 는 주조 공장에서 일반적으로 사용되는 모든 공정을 시뮬레이션할 수 있는 간편한 도구를 제공합니다. 새로운 LPSC Workspace를 통해 사용자는 프로세스 파라미터를 모델링하고 최적화하는 데 필요한 도구를 사용할 수 있습니다.

필터는 하단 충진 스프로(sprues)에 삽입하여 충진 패턴을 추가로 제어하고, 용해 시 불순물을 제거할 수 있습니다. FLOW-3D CAST는 충전 중 흐름에 미치는 영향을 모델링하기 위한 세라믹 필터를 제공합니다. LPSC Workspace는 응고중의 수축 및 미세수축결함을 해결하기 위해 발열 압탕어셈블리 및 단열 슬리브를 제공합니다.

FLOW-3D CAST의 틸트 기능을 사용하면 응고 전에 몰드를 거꾸로 뒤집어 충전 스프루(sprues)가 라이저 역할을 할 수 있습니다. 이 접근 방식은 충진 스프루(sprues)가 적절하게 설계된 경우 추가 라이저가 필요하지 않습니다.

프로세스 모델링

  • 압력 또는 용량 제어 바닥 공급
  • 회전식 응고

유연한 메쉬

  • 빠르고 쉬운 생성을 위한 체계적인 메쉬
  • 국지적인 정확도 제어를 위한 멀티 블록 메쉬
  • 메모리 최적화를 위한 캐스팅 구성 메쉬

주형 모델링

  • 가스 및 수분 배출이 포함된 허용 가능한 금형
  • 국소 냉각을 위한 코일
  • 다공성 및 표준 인서트
  • 세라믹 필터
  • 에어벤트

고급 응고

  • 화학 기반 응고
  • 치수 없는 니야마 기준
  • 냉각 속도, SDAS, 입자 크기 기계적 특성

라이저 공구

  • 발열체 데이터베이스
  • 발열성 및 절연성 슬리브

주입 정확도

  • 가스/버스/자갈 끼임
  • 표면 산화물 형성
  • 필터의 자동 드래그 계산

몰드 모션 컨트롤

  • 시간 제어 금형 회전

결함 예측

  • 다공성 예측
  • 수축
  • 핫 스팟

동적 시뮬레이션 컨트롤

  • 문제가 제어되는 주입 속도

완전한 분석

  • 다중 뷰 포트를 사용한 애니메이션-3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 사이드 바이 사이드 시뮬레이션 결과 비교
  • 용해 온도, 고체 부분을 측정하기 위한 센서
  • 입자 추적기
  • 일괄 처리
  • 보고서 생성

Investment Casting Workspace, 정밀주조

Workspace Highlights

  • 주조 패턴으로 쉘 생성을 능률적으로 수행할 수 있습니다.
  • 고급 방사 모델은 쉘 표면 사이의 완전한 복사 열 전달을 계산합니다.
  • 고급 모션 컨트롤에는 Bridgman, 레들 및 스핀 모션이 포함됩니다.

Workspace Overview

Investment Casting Workspace는 쉘 생성, 충전, 응고 (정적 또는 움직이는 Bridgman 쉘 금형) 및 냉각을 포함한 Investment Casting 주조의 모든 측면을 시뮬레이션하기 위한 사용하기 쉬운 도구를 Investment Casting 엔지니어에게 제공합니다.

쉘 몰드 생성 도구는 빠르고 신뢰할 수 있는 쉘 형상 생성을 위해 제공되며, radiative heat 및 view factor 모델은 쉘의 여러 부분 간의 복사 열전달(radiation heat transfer)을 정확하게 재현합니다. Directional solidification를 위해 쿨러 하부 단면과 분리된 뜨거운 상부 섹션이 있는 moving oven은 Bridgman 프로세스를 재현합니다. 용융 표면 진행 뿐만 아니라 몰드의 이동, 충진 양상 및 응고 패턴은 직관적인 후처리 도구를 통해 쉽게 평가되므로 공정 조건을 수정하여 주조 공정을 구현할 수 있습니다.

 프로세스 모델링

  • 유동
  • 고화 -고정 및 브리지먼
  • 냉각
 

쉘 몰드 생성

 

열 금형 모델링

  • 뷰 인자를 가진 전체 방사 모델링
  • 대류 및 전도 열 전달
 

멀티 블록 메시

 

유동 해석의 탁월한 정확도

  • 가스/버블 고립
  • 표면 산화물 계산
  • RNG 및 LES 난류 모델
 

래들 주입

 응고해석
  • 기공 예측
  • 수축 예측
  • 방향성 응고
 

결함 예측

  • 기공 예측
  • 공기 고립 예측
  • 조기 응고
  • 산화물 형성
 

동적 시뮬레이션 제어

  • 용탕 주입 제어
 

전체 분석 패키지

  • 다중 뷰포트가 있는 애니메이션 – 3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 여러가지 해석 결과 비교
  • 용융 온도, 응고 분율 측정을 위한 센서 추가 기능
  • 파티클 트레이서
  • 일괄 후 처리
  • 보고서 생성

High Pressure Die Casting Workspace, 고압다이캐스팅

High Pressure Die Casting Workspace Highlights

  • 주입 정확도가 탁월합니다.
  • 전체 프로세스 모델링에는 고급 환기, PQ2 및 스프레이 냉각이 포함됩니다.
  • 동적 시뮬레이션 제어를 통해 동적 런타임 프로세스를 제어할 수 있습니다.
  • 최첨단 알루미늄 실리콘 합금 고형화입니다.

고압 다이 캐스팅 Workspace

고압 다이 캐스팅 Workspace은 엔지니어가 FLOW-3D CAST를 사용하여, 고압 다이 캐스팅 제품을 성공적으로 모델링할 수 있도록 설계된 직관적인 모델링 환경입니다.

FLOW-3D CAST v5.1은 첨단 다이 열 제어, 기계 파라미터 모델링,주입 및 배압 조건의 정확한 해석기능과 결합된 샷 슬리브 모션의 완전한 제어는 가장 까다로운 HPDC 시뮬레이션에 필요한 최적화된 솔루션입니다. HPDC Workspace에는 진보된 미세수축공 예측 및 후처리 기능 외에도 Al-Si 및 Al-Cu 기반 합금에 대한 최첨단 화학 기반 응고 및 재료 강도 모델이 포함되어 있습니다.

모델링된 프로세스

  • 고압 다이 주조
 

유연한 메시

  • FAVOR™ 간단한 메쉬 생성 도구
  • 멀티 블록 메시
  • 중첩 메시
 

다이 열 관리

  • 열 다이 사이클링
  • 열 포화도
  • 전체 열 전달 모델링
  • 스마트 냉각 채널 제어
  • 스프레이 냉각 경로 모델링
 

고급 응고

  • 다공성 예측
  • 수축
  • 핫스팟 식별
  • 기계적 특성 예측
  • 미세 구조 예측
 

국자 모션

  • 자유 모션 정의 6도
 

진공 및 환기

  • 대화형 프로브 배치
  • 지역 및 손실 계수 계산기
 

충전 정확도

  • 느리고 빠른 샷 모델링
  • 강화 압력 효과
  • 가스 및 버블 함정
  • 표면 산화물 계산
  • RNG 및 레 난류 모델
  • 역압력
 

결함 예측

  • 매크로 및 마이크로 다공성
  • 가스 다공성
  • 조기 응고
  • 산화물 형성
  • 표면 결함 분석
 

표면 결함 분석

  • PQ2 분석
  • 프로브 기반 트리거
  • 열 제어
  • 진공 및 환기 제어
 

전체 분석 패키지

  • 다중 뷰포트가 있는 애니메이션 – 3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 나란히 시뮬레이션 결과 비교
  • 용융 온도, 고체 분획 측정을 위한 센서
  • 파티클 트레이서
  • 배치 후 처리
  • 보고서 생성

Gravity Die Casting Workspace, 중력주조

Gravity Die Casting Workspace Highlights, 중력주조

  • 최첨단 다이 열 관리, 동적 냉각 채널, 분무 냉각 및 열 순환
  • Ladle 주입 조건에 따라 동적 Ladle 모션이 있는 Ladle 주입
  • 첨단 유량 솔루션으로 정확한 가스 갇힘 및 가스 다공성 제공

Workspace Overview

Gravity Die Casting Workspace(중력주조)는 엔지니어가 FLOW-3D CAST를 사용하여 중력주조 제품을 성공적으로 모델링할 수 있도록 설계된 직관적인 모델링 환경입니다.

Ladle 모션, 벤트 및 배압이 충진해석에 포함되어 공기 갇힘 및 미세 응고수축공의 정확한 예측과 금형온도분포 및 상태 예측이 가능합니다.-첨단 응고 모델은 Workspace의 하위 프로세스 아키텍처를 통해 충준해석기능에 원활하게 연결됩니다. Gravity Die Casting Workspace는 다목적 모델링 환경에서 시뮬레이션의 모든 측면을 위한 완전하고 정확한 솔루션을 제공합니다.

PROCESSES MODELED

  • Gravity die casting
  • Vacuum die casting

FLEXIBLE MESHING

  • FAVOR™ simple mesh generation tool
  • Multi-block meshing
  • Nested meshing

MOLD MODELING

  • Localized die heating elements and cooling channels
  • Spray cooling of the die surface
  • Ceramic filters
  • Air vents

ADVANCED SOLIDIFICATION

  • Porosity
  • Shrinkage
  • Hot spots
  • Mechanical property
  • Microstructure

SAND CORES

  • Core gas evolution
  • Material definitions for core properties

DIE THERMAL MANAGEMENT

  • Thermal die cycling
  • Heat saturation
  • Full heat transfer

LADLE MOTION

  • 6 degrees of freedom motion definition

DEFECT PREDICTION

  • Macro and micro porosity
  • Gas porosity
  • Early solidification
  • Oxide formation
  • Surface defect analysis

VACUUM AND VENTING

  • Interactive probe placement
  • Area and loss coefficient calculator

MACRO AND MICRO POROSITY

  • Gas porosity
  • Early solidification
  • Oxide formation
  • Surface defect analysis

FILLING ACCURACY

  • Gas and bubble entrapment
  • Surface oxide calculation
  • RNG and LES turbulence models
  • Backpressure

COMPLETE ANALYSIS PACKAGE

  • Animations with multi-viewports – 3D, 2D, history plots, volume rendering
  • Porosity analysis tool
  • Side-by-side simulation results comparison
  • Sensors for measuring melt temperature, solid fraction
  • Particle tracers
  • Batch post-processing
  • Report generation

Continuous Casting Workspace, 연속주조

연속 주조 Workspace Highlights

  • 고급 모션 컨트롤에는 수직 빌릿, 수평 파이프 및 롤러 시트 캐스팅이 포함됨
  • 열 및 냉각 동적 제어는 타의 추종을 불허하는 열 관리 분석 제공
  • 유체의 완전한 시뮬레이션 – 고급 열 응력 해석을 통해 동작중의 고체 전환

Workspace Overview

Continuous Casting Workspace는 연속형 빌릿 주조 및 직접 냉간 연속 주조 등 일반적으로 사용되는 모든 주조 공장 공정을 시뮬레이션할 수 있는 사용하기 쉬운 도구를 지속적으로 주조 사용자에게 제공합니다. 새로운 Continuous Casting Workspace를 통해 사용자는 연속 주조 공정을 모델링하고 공정 파라미터를 최적화하는 데 필요한 도구를 찾을 수 있습니다.

멀티 블록 메쉬는 주조물의 높은 전단 및 고온 구배 영역에서 훨씬 더 높은 정확도를 제공하는 효율적인 방법을 제공합니다. Mold 및 Billlet 냉각, 용해 유량, 과열 및 Mold 형상과 같은 공정 매개변수가 분석에 포함됩니다. 용탕 표면의 운동과 몰드의 온동은 후처리 중에 빠르게 시각화되며, 이 과정에서 충진 및 응고 패턴도 쉽게 평가되므로 공정 수정을 자신 있게 구현할 수 있습니다.

 

 

모델링된 프로세스

  • 연속 빌릿 및 시트 캐스팅
  • 직접 냉각 연속 주조

유연한 메시

  • 다중 블록 메시는 흐름과 온도 그라데이션을 캡처합니다.

열 금형 모델링

  • 난방 및 냉각 요소와 지역화 된 다이 가열 제어
  • 용융 및 금형에서 대류 및 복사 열 전달

고급 응고

  • 수축
  • 방향 응고

결함 예측

  • 다공성 예측
  • 실내 공기
  • 조기 응고
  • 산화물 형성

동적 시뮬레이션 제어

  • 흐름 역학에 따라 제어 부기

전체 분석 패키지

  • 다중 뷰포트가 있는 애니메이션 – 3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 나란히 시뮬레이션 결과 비교
  • 용융 온도, 고체 분획 측정을 위한 센서
  • 파티클 트레이서
  • 배치 후 처리
  • 보고서 생성

Centrifugal Casting Workspace, 원심주조

원심주조 워크 스페이스 하이라이트

  • 고급 모션 컨트롤을 통해 모든 스핀 조건의 정밀한 시뮬레이션
  • 수평 파이프 주조, 수직 보석 주조, 수직 대형 회전 등의 솔루션 제공
  • 응고 중 동적 스핀 속도 제어

작업 영역 개요

원심 주조 Workspace는 원심 주조 사용자에게 수평 및 수직 진정한 원심 주조, 부분 원심 주조 및 원심 주조 시뮬레이션을 위한 편리한 도구를 제공합니다. 새로운 원심 주조 Workspace를 사용하면 사용자가 프로세스를 모델링하고 설계 매개 변수를 최적화하는데 필요한 모든 도구를 찾을 수 있습니다. 금형을 고정시키고 회전하는 메쉬를 통해 사용자는 ladle 붓기를 포함하여 상상할 수 있는 모든 금형 모션을 모델링할 수 있는 유연성을 제공합니다.

원통형 메싱은 가능한 최고의 흐름 모델링 정확도를 제공하는 반면, 다중 블록 메싱은 주조물의 높은 전단 및 고온 구배 영역에서 훨씬 더 높은 정확도를 위한 효율적인 방법을 제공합니다. 이 솔루션은 적합하지 않은 금형 회전 속도에 따라 비처럼 떨어지는 것과 같은 흐름 관련 문제, 공기 유입 또는 응고 부위의 재용해과 같은 결함을 예측합니다. 몰드 예열 온도, 냉각 구성 및 금형 회전률과 같은 프로세스 매개변수는 모두 모델 설정의 일부가 될 수 있습니다.

모델링된 프로세스

  • 수평 및 수직 진정한 원심 공정
  • 반원심 공정
  • 분리기

열 금형 모델링

  • 가열 요소와 지역화 다이 가열 제어
  • 대류 및 복사 열 전달

유연한 메시

  • 최고의 정확도를 위한 원통형 저술
  • 다중 블록 메시는 흐름과 온도 그라데이션을 캡처합니다.

충전 정확도

  • 용융 픽업 및 강우 예측
  • 가스/버블 함정
  • 표면 산화물 계산
  • RNG 및 레 난류 모델

금형 모션 제어

  • 수직 및 수평 회전
  • 가변 스핀 속도

국자 붓기

고급 응고

  • 수축
  • 방향 응고

결함 예측

  • 다공성 예측
  • 실내 공기
  • 조기 응고
  • 산화물 형성

동적 시뮬레이션 제어

  • 흐름 역학에 따라 제어 부기

전체 분석 패키지

  • 다중 뷰포트가 있는 애니메이션 – 3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
  • 다공성 분석 도구
  • 나란히 시뮬레이션 결과 비교
  • 용융 온도, 고체 분획 측정을 위한 센서
  • 파티클 트레이서
  • 배치 후 처리
  • 보고서 생성

Low Pressure Die Casting Workspace (저압 주조)

저압 주조의 장점

  • 높은 수준의 자동화로 다수확
  • 그물 모양의 주조로 인한 가공비 절감
  • 재료 보존으로 인한 생산 향상 및 불량률 감소

저압 주조의 workflow

재질 및 구성요소 선택

  • 모든 금속 및 금형의 성질은 사용자가 정의할 수 있음
  • 재질 데이터베이스가 준비됨

CAD → MESH

  • FLOW-3D CAST는 어떤 형상일지라도 쉽고 자동적으로 격자를 생성해줌
  • FAVOR 기능
  • 격자 속성의 조정없이도 새로운 형상을 쉽고 빠르게 업로드함

응고 모델

  • FLOW-3D CAST는 두 가지 모델로 다공성을 식별할 수 있음
    – 단순화된 응고 수축
    – 유체의 흐름이 없음
    – 액체 영역의 온도를 기준
    – 인터덴드리틱 옵션
    – 빠른 결과에 사용
    – 주요 수축 모델
    – 유체 및 열의 흐름을 기준
    – 재용해로 인한 부피 팽창
    – 매우 정확한 최종 검증

Output 선택 & 후처리 과정

  • 정확한 출력 변수를 정의
  • FlowSight를 이용하여 고품질의 시각적 데이터를 쉽게 렌더링

Lost Foam Workspace | FLOW-3D CAST

Lost Foam의 장점

  • 공차가 엄격하고 복잡한 부품 모델링
    -표면 마감은 2.5~25㎛
    -크기는 파운드에서 톤까지 다양함
    -2.5mm의 최소 두께를 요구함
    -주철, 알루미늄 합금, 니켈 합금 및 강철과 같은 금속이 Lost Foam에 사용됨 (때로는 스테인리스 스틸 및 구리도 사용)
  • 코어가 필요 없음
    -코어는 바인더로 만들어지며 열분해로 인한 다공성 결함을 유발할 수 있음
  • 분리선이 필요 없음
    -분리선이 발생할 수 있음

결함 예측

  • 시뮬레이션은 결함 영역을 정확하게 식별하고 결함의 원인에 대한 통찰력을 제공할 수 있음
    -탕경
    -기포
    -접힘
    -기포 잔여물
    -초과 및 잔류 모멘텀

모델링 가정

  1. 모든 폴리머 패턴은 기체로 제거됨
  2. 코팅, 모래의 투과성, 패턴은 기체를 제거하는데 충분함
  3. 금속 속도는 열전달 및 기포 분해 특성에 의해 제어됨
  4. 금속과 패턴의 접점에서 금속의 온도는 패턴을 기체로 완전히 분해하고 금속과 패턴의 접점 뒤의 모래 손실로 인해 필요한 에너지의 결과

복잡하게 채워지는 동작

Lost Foam 작업 공간

  • 2000년 일반 모터 회사, AFS Lost Foam Consortium, 미국 에너지부 및 앨라배마 버밍엄 대학과 공동으로 개발
  • GM의 연구원은 Lost Foam casting 시뮬레이션과 실제 주조 시험과 연관시킴
  • 기포와 금속의 접정을 분석하여 금속의 흐름이 어떻게 결함을 발전시키고 주조의 품질에 영향을 미치는지 알아냄

GM “Box Cast” 검증

Permanent Mold Workspace | FLOW-3D CAST

영구 금형 주조의 장점

  • 높은 생산률에 적합
  • 모래에 비해 복잡한 금형에 용이하고 표면 조도 및 치수 정확도가 높음
  • 재료 보존으로 인한 수율 향상 및 금형 관련 결함 발생이 감소

영구 금형의 workflow

재료와 구성요소의 선택

  • 모든 금속 & 주형의 재질은 사용자로부터 제작될 수 있음.
  • 재질의 데이터는 갖추어짐.

CAD → MESH

  • FLOW-3D CAST는 사용자가 만든 stl파일에 알맞게 쉽고 자동으로 격자를 생성해줌.
  • FAVOR = Fractional Area-Volume Obstacle Representation
  • 격자의 성질의 조정없이 빠르고 쉽게 새로운 모형을 업로드

응고 모델

출력 선택 & 후처리 과정

  • 정확한 출력 변수를 정의
  • FlowSight로 고품질의 시각적 데이터를 쉽게 렌더링

Overview of the Tilt-Pour Workspace

Tilt-Pour casting 장점

  • 금형 충진 중 난류 감소
  • 현대식 주조기로 쉽게 자동화
  • 재료 보존으로 인한 수율 향상 및 결함 감소
  • 더 낮은 금형 비용으로 대량 생산이 가능한 “낮은 기술”솔루션

Tilt-Pour 프로세스

  • 스프레이 냉각 시간
  • Tilt 프로파일
  • 사이클 파라미터

Part desciption

  • Ornamental Casting
  • Alloy : A356
  • Alloy Temp. : 섭씨 700도
  • Mold : H-13
  • Mold Temp. : 섭씨 200도

예비 충진 분석

추가 통풍 채널

  • Parting라인 벤트 추가
  • 공기 유입을 최소화하는 확장된 중앙 러너

Thermal die cycling

재시작으로 채우기

  • 열 다이 사이클링 시뮬레이션의 데이터를 사용하여 충진 분석 계속
  • 모든 열 분포 데이터가 시뮬레이션에 활용
  • 사용자는 필요한 데이터에 따라 재시작 옵션을 완전히 제어 가능

설계 변경 후의 Filling

응고 및 다공성 예측

High pressure die casting workspace:Advanced simulation options / 고압 다이캐스팅 workspace : 고급 시뮬레이션 옵션

고압 다이 캐스팅의 이점

  • 고압 다이캐스팅 기술은 매우 큰 경합금 부품을 대량으로 생산가능
  • 높은 정밀도, 우수한 표면 조도, 우수한 균일성 및 최적의 기계적 특성
  • 고압 다이캐스팅 공정은 또한 얇은 벽을 가진 부품과 스크류 및 라이너와 같은 다른 유형의 인서트를 가진 “공동 주조된”부품을 생산하여 제품 자체의 필수 부품이 될 수 있음

PQ2 해석

  • 다이 캐스팅 기의 기능과 게이트 속도를 일치시키는 표준 절차
  • 작동 시간은 충전 시간, 게이트 속도 및 금속 압력 등에 따라 다름
  • 기계 기능 내에서 유지되도록 샷 프로파일의 속도 변경
  • 정확한 샷 슬리브 모델링
  • No adjustment
  • With adjustment

Filling

Thermal die cycling

Spray cooling model

Filling with shot sleeve – fast shot activation

Solidification and porosity prediction

A Low Pressure Die Casting Validation at Versevo/Versevo에서의 저압 다이캐스팅 검증

작성자 : ross.white@flow3d.com

저압 다이캐스팅(Low Pressure Die Casting)의 정의

  • 저압(0 – 15psi)의 공기를 사용하여 금속을 튜브에 주조물로 밀어 넣는 공정
  • 높은 금속 강도(충진 제어를 통한 야금 품질 제어)
  • 높은 수율(Runner시스템이나 Riser가 없는 마킹이 적음)
  • 복잡한 모양 제조 가능

위 사진은 LPDC 부품을 만드는데 사용된 Kurtz 기계입니다.
다이는 탱크에 주입관이 부착된 두 플레이트 사이에 위치합니다.

For this casting there are three stages of pressure:

ㆍ 1st Stage

– Pre-fill pressure which is the first height shown

ㆍ 2nd Stage

– Pressure required to fill the casting

ㆍ 3rd Stage

– Pressurization (intensification) above fill pressure to prevent shrinkage

수치 해석

  • LPDC(저압 다이캐스팅) 시뮬레이션 시 고려해야 할 파라미터는 응고 항력계수, 열전달 계수 및 정확한 충진 압력입니다.
  • 충진 튜브가 없는 시뮬레이션의 경우 해석시간이 절약되고 정확도도 크게 떨어지지 않습니다.

LPDC(저압 다이캐스팅) 시뮬레이션 해석 조건

  • Metal : Al356 (초기 온도 : 섭씨723도)
  • Filler tube : Ceramic(초기 온도 : 섭씨 700도)
  • Die : H-13(초기 온도 : 섭씨 400도)

해석 결과

Hydrostatic head pressure 을 사용하여 채우는데 필요한 압력을 결정함으로써, 제품 개발에 성공하여 “시뮬레이션의 뛰어난 유효성 확인!”

Gravity Pour

Gravity Pour

 

중력 주조는 (일반적으로 철, 청동, 황동 또는 알루미늄 등으로) 큰 제품을 만드는 데 사용됩니다. 사형주조나 영구 금형을 포함하여 대부분의 파운드리 주조 공정은 FLOW-3D로 모델링 할 수 있습니다. 그 충진 과정이 고압 다이 캐스팅보다 덜 과격하지만, 제품 품질이 과도한 난류 충진으로 공기의 유입에 영향을 받을 수 있고, 수축 유발 결함 등에 영향을 받을 수 있습니다. 충진 완료 후 금속의 응고와 수축 또한 FLOW-3D로 모델링 할 수 있습니다.

Accurate Filling Simulations

주조 과정에서 충진은 충진 양상과 그에 관련된 결함-결합이 overflow로 보내지는지 또는 제품 내부에 포함되는지를 분석하는 업무로 구성되어 집니다. Simulation을 통한 분석은 제품이 만들어지기 전에 미리 설계에 대한 효과와 비용 절감에 대한 부분을 시험할 수 있습니다. 정확한 충진은 응고 거동을 예측하기 위해 충진의 끝 단계에서 정확한 열 윤곽을 얻기 위해 매우 중요합니다.

충진의 정확도는 산화물 결함, 공기 갇힘 위치를 추적하는 것 뿐만 아니라, 응고 결과를 위해서도 중요한 결과라 할 수 있습니다. 정확한 충진 양상은 충진 끝의 정확한 열적인 양상을 의미합니다. 열 양상은 응고 분석의 기본입니다.

Solidification of Castings for Foundry Applications

 

주조제품의 결함에는 segregation, 열로 인한 응력, 마이크로 및 매크로 다공성을 포함하는  응고와 연관된 광범위한 결함들이 있습니다. 올바른 응고 분석을 얻기 위한 중요한 첫 번째 단계는 정확한 충진 해석입니다. 정확한 충진은 정확한 thermal profile을 얻고, 이는 응고해석의 초기조건이 됩니다. FLOW-3D는 보다 신속한 주물 설계 및 불량률을 줄일 수 있도록 응고와 관련된 많은 결함을 검출 할 수 있습니다.

정밀주조품의 수축 결함 예측

정밀 주조품의 수축 결함 예측

정밀 주조 공정은 가장 오래된 주조 공정 중 하나로 기원전 4000년 이후에 보편화되었습니다. 이 과정은 용해된 금속을 소모품(왁스)패턴으로 생성된 세라믹 쉘에 주입하는 과정을 수반합니다. 일찍이 그것은 금, 은, 구리와 청동 합금으로 장신구와 우상을 만드는데 사용되었습니다.

정밀 주조공정은 1897년 아이오와 주, 위원회 블러프스의 Barabas Frederick Philbrook이 묘사한 대로 치과의사들이 왕관과 인레이를 만들기 위해 그것을 사용하기 시작한 19세기 말 현대 산업공정으로 사용되기 시작했습니다. 1940년대에는 제2차 세계대전 당시 기존 방법으로는 형성될 수 없거나 지나치게 많은 가공이 필요한 특수 합금의 정밀 순모형 제조 기술에 대한 수요로 인해 투자 주조 공정이 증가하였습니다.

오늘날 정밀 주조 공정은 표면 마감 및 치수 정확도가 우수하여 거의 순 형태에 가까운 철, 비철 및 초합금의 소형 산업용 부품을 생산하는데 주로 사용됩니다.

정밀 주조 공정은 다음 네 가지 주요 단계로 구성됩니다.

  • 왁스 패턴 생성 후, 패턴 클러스터 또는 ‘트리’를 만들기 위해 게이트 시스템으로 청소 및 조립합니다.
  • 나무는 세라믹 쉘을 얻기 위해 미세 모래와 Course한 모래 입자의 슬러리로 번갈아 코팅됩니다.
  • 용기는 건조되고, 왁스를 녹이기 위해 가열되며, 강도를 높이고 주입 준비합니다.
  • 마침내 주조 합금이 용해되어 예열된 쉘에 주입됩니다. 응고 후에 쉘이 파손되어 주조 부품을 얻습니다.

Figure 1. Solid model of the casting geometry

정밀 주조 공정에서 얻은 부품은 많은 중요한 용도에 사용되므로 내부적인 결함이 없어야 합니다. 정밀 주조 공정에서 발생하는 주요 결함은 세라믹 포함, 균열, 변형, 플래시, 주탕불량, 수축, 슬래그 포함, 탕경계등입니다. 얻은 주조물의 품질을 예측하려면 금속-몰드 열 전달계수, 주입 온도 등 다양한 주조 공정 매개 변수의 영향을 연구해야 합니다. 즉, 쉘 두께 및 쉘 열 전달계수가 그것입니다. 현대 컴퓨터 시스템 및 시뮬레이션 소프트웨어의 출현과 함께 금형 충진 및 응고 시뮬레이션은 주조공장에서 결함을 예측하고 설계를 최적화하는데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

이 연구의 주요 목적은 정밀 주조 공정에서 주요 요소인 복사 열 전달과 정밀 주조 공정에 고유한 쉘 금형이 FLOW-3D에서 효과적으로 구현될 수 있는지를 조사하는 것입니다. FLOW-3D를 사용하여 간단한 형상을 위한 정밀 주조공정의 주입 및 응고 시뮬레이션을 수행함으로써 두 구성요소의 서로 다른 효과를 조사합니다. 다양한 위치에서 얻은 온도의 수치는 문헌 [1]에보고 된 실험 결과로 검증됩니다. 복사 열 전달계수, 쉘 몰드 두께, 탕구 및 게이트의 위치에 대한 영향도 조사했습니다.

Shell mold

Figure 2. Shell mold

Methodology

현재 연구에서 사용된 계산 형상은 그림 1에 나와 있습니다. 쉘 몰드는 다음 단계를 사용하여 작성되었습니다.

  • complement 1로 형상을 FLOW-3D로 가져오고 지정된 셀 크기로 가져온 형상을 중심으로 메쉬 블록을 작성합니다.
  • “complement”유형의 component1의 첫 번째 하위 구성 요소를 만들어 하위 구성 요소 외부의 모든 항목을 메쉬의 범위까지 확고하게 만듭니다.
  • 솔리드 데이터베이스에서 이 솔리드 블록의 금형 재질 특성을 정의하십시오.
  • 솔리드 특성 GUI의 구성 요소 특성에서 “Thermal penetration depth”를 정의하는 옵션이 있습니다. 여기서 쉘 두께 값을 정의 할 수 있습니다.
  • 이제 전처리기를 실행하십시오.
  • Analyze 탭>3D 탭으로 이동 한 다음 이전 단계에서 생성 한 prpgrf 파일을 엽니다. ‘Iso-surface’와 ‘color variable’에서 “thermally active component volume”을 선택하고 “Render”을 선택하십시오.
  • Display에 이제 형상의 셸 부분 만 표시됩니다.
  • 개체 목록 (창의 왼쪽 하단)에서 “component 1″을 선택하고 “component 1″을 마우스 오른쪽 단추로 클릭 한 다음 “stl로 내보내기”를 선택하여 이 곡면을 STL 파일로 저장하십시오.
Two mesh blocks

Figure 3. The view of the two mesh blocks for the creation of a void with discretization

쉘 몰드 용 STL 파일을 만든 후에, 이 파일을 component 1로 새 시뮬레이션으로 가져오고 이전에 작성한 주조 형상을 하위 구성 요소로 가져오고 유형을 ‘hole’으로 선택합니다. 쉘 몰드와 함께 주조 형상이 그림 2에 나와 있습니다. 이것은 우리의 계산 영역으로 사용됩니다. 다음은 계산 영역을 cubical/rectangular셀로 분할하기 위한 메쉬를 만드는 것입니다. 메쉬 블록을 작성하여 FLOW-3D에서 메쉬를 생성합니다. 현재의 작업을 위해 2.5mm의 고정된 셀 크기가 선택된 그림 3에 표시된 균일한 메쉬 옵션을 선택했습니다. 입력 위치 주변에 메시 블록 2가 사용되는 현재 시뮬레이션을 위해 메시 블록 2개가 생성되었습니다. 쉘과 주변 공기 사이의 30°C에서의 열 전달을 고려하여 쉘 주위에 보이드 영역이 정의됩니다. 이 영역은 ‘heat transfer type 1’이 있는 보이드 영역으로 선택되며 셸과 주변 공기 사이에 열 전달 계수 값이 지정됩니다. heat transfer type 1은 방사선을 포함한 종합 열 전달 계수가 됩니다.
쉘 주형에 선택된 재료는 zircon이며 열 특성은 Sabau and Vishwanathan에 의해 수행된 실험에서 얻을 수 있습니다[2]. 표 1은 연구에 사용된 재료에 대해 지정된 값을 보여 줍니다.

MATERIAL PROPERTY VALUE UNIT
Fluid –AluminiumA356 alloy Density  2437 kg/m³
Thermal conductivity 116.8 W/(m K)
Specific heat 1074 J/(kg K)
Latent heat 433.22 kJ/m³
Liquidus temperature 608 0C
Solidus temperature 552.4 0C
Zircon Mold Thermal conductivity 1.09 W/(m K)
Specific heat* Density 1.63E+06 J/( m³ 

Initial and boundary conditions used are show in Table 2.

Mold temperature 430°C
Melt pouring temperature 680°C
Filling time 7 s
Interface heat transfer coefficient 850 W/m2K
Heat transfer coefficient between ambient and mold (radiation effect) 30 -100 W/m2K

Table 2. Initial and boundary conditions used for the simulation

Sprue basin에 들어가는 용융물의 초기 속도와 온도는 메시 블록 2의 상단 경계에서 속도 경계 조건으로 주어집니다. 기본적으로 다른 모든 경계는 대칭 유형으로 설정됩니다.

Results & Discussion

Validation with reported experimental results

Experimental and numerical comparison

충전 및 응고 동안 냉각 곡선을 얻기 위한 실험에서 Sabuet.al[1]에 의해 선택된 네 개의 위치가 검증 목적으로 사용되었습니다. 그들은 C1, C2, S11, S12및 S21로 언급됩니다. C1과 C2지점은 주물의 플레이트의 중심에 있으며 S11, S12및 S21은 모두 쉘에 위치합니다. 이러한 위치에서의 온도 변화는 그림 4와 같습니다.
온도 프로파일의 수치 및 실험결과의 차이가 허용한계 안에 있음을 알 수 있습니다. probe points C1과 C2의 경우, 수치와 실험 결과 사이의 차이는 응고 중에 5%, 응고 후 냉각 시 12% 이내입니다. 쉘의 점에 대한 수치 결과는 실험 결과보다 약 5% 높습니다. 이는 쉘 재료에 열 물리학적 특성을 할당할 때 발생하는 가정과 쉘 열 전달 계수의 값 때문일 수 있습니다.

Fill sequence & solidification pattern for two different sprue locations

2 개의 상이한 탕구 위치에서 용탕 충전 순서는 5a 및 5b에 나와 있습니다. 최종 탕구가 더 많은 splashing을 생성하므로 결함으로 이어질 수 있습니다. 탕구가 중간에 놓여지면 흐름은 보다 균일 해지고 두 주조 단면에서 비슷한 온도 분포를 보입니다. 50 % 응고 후의 온도 프로파일의 2D 도면은 두 경우 모두 그림 5c 및 5d에 나와 있습니다. 수축 위치에서 볼 때 두 탕구 위치가 결함을 일으키는 것은 분명합니다.

Fill sequence at different time intervals when the sprue is located at one end
Figure 5a. Fill sequence at different time intervals when the sprue is located at one end

 

Fill sequence at different time intervals when the sprue is located in the middle
Figure 5b. Fill sequence at different time intervals when the sprue is located in the middle

2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located at one end
Figure 5c. 2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located at one end
2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located in the middle
Figure 5d. 2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located in the middle
Effect of shell thickness

정밀 주조에 대한 쉘 두께의 효과를 연구하기 위해 두께가 7.2, 10, 15 및 20 mm인 주물을 선정하였습니다. 그림 6a 및 6b는 주조품의 특정 위치에서 냉각 곡선을 나타내며, 이는 C1으로 나타내고 쉘 몰드 내의 특정 위치에 있으며, 응고 중에 S11로 나타납니다. 세라믹 쉘의 두께가 7.2 mm에서 15 mm로 증가하면 냉각 속도가 감소하여 응고 시간이 길어지는 것을 볼 수 있습니다.

Effect of shell heat transfer coefficient

쉘 열 전달 계수는 열이 쉘 몰드의 외부 벽에서 방사선을 통해 주변 공기로 열을 방출하는 속도를 나타냅니다. 이 효과를 조사하기 위해 열 전달 계수의 값을 20에서 80W/m2K까지 다양하게 했습니다. 7a 및 7b로부터, h의 변화는 주조 재료 및 쉘의 냉각 속도에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 열 전달 계수가 20에서 80W/m2K로 증가하면 C1에서의 응고 시간이 812 초에서 334 초 (약 44 %)로 감소되었음을 알 수 있습니다. 따라서, h의 값을 변화시키는 것은 주물의 미세 구조에 영향을 미칩니다.

Temperature profile 1
Figure 6a. Temperature profile at location C1 (casting) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various shell thickness values
Temperature profile 2
Figure 6b. Temperature profile at location S11 (shell) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various shell thickness values
Temperature profile at location C1
Figure 7a. Temperature profile at location C1 (casting) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various heat transfer coefficient values between the shell mold & ambient
Temperature profile at location S11
Figure 7b. Temperature profile at location S11 (shell) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various heat transfer coefficient values between the shell mold & ambient

Conclusions

정밀 주조 공정의 몰드 충진 및 응고 시뮬레이션은 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다. 주조 공정에 대한 주조 매개변수의 영향을 연구하기 위해 파라메트릭 연구가 수행되었습니다. 본 연구에서 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있습니다.

  • FLOW-3D는 멀티 캐비티 몰드의 주입 및 응고 모델링이 가능합니다. 프로브 위치의 예측 온도 프로파일은 실험 데이터의 허용오차 이내였다.
  • 쉘 두께의 경우, 두 경우 모두 셸의 임계 두께가 있으며, 그 이상으로 열 전달 특성이 역행하는 것으로 확인되었습니다. 셸 두께가 증가함에 따라 응고 시간이 임계 두께까지 증가하여 감소하기 시작했습니다. 원래 형상의 경우 임계 두께는 15~20mm인 반면 수정된 형상의 경우 10mm와 15mm 사이에 있다.
  • 쉘과 대기 사이의 열 전달 계수 h는 열 전달 특성에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. h가 20에서 80W/m2K로 4 배 증가할 때 탕구의 중심에서 응고 시간이 40 % 이상 감소했습니다.

References

Sabau, A.S., Numerical Simulation of the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 113, Paper No. 05-160, 2005.

Sabau, A.S., and Viswanathan, S., Thermophysical Properties of Zircon and Fused Silica-based Shells used in the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 112, Paper No. 04-081, 2004.