[FLOW-3D 물리모델] Thermal Stress Evolution in Solidified Fluid Regions / 응고된 유체 영역의 열 응력 진화

Thermal Stress Evolution in Solidified Fluid Regions / 응고된 유체 영역의 열 응력 진화

열 응력 진화 (TSE) 모델은 응고유체 지역 내 응력과 변형을 모사하고 해석하기 위해 유한요소법을 이용하도록 되어 있다. 이 응력들은 주변 유체에 의해 가해지는 힘, 응고 된 유체 내의 온도 구배 및 또는 벽/주변요소들에 의한 제약에 의한 결과로 발생할 수 있다.

 

Model Setup모델 설정

이 계산은 완전히 응고된 유체 셀에 대해서만 계산되므로 이 모델은 Solidification 모델의 활성화를 필요로 한다. Thermal stress analysis Solidification 창 또는 Meshing & Geometry Geometry tree 밑의 Solidified fluid region 에서 활성화 된다.

이 모델의 사용을 위한 재료 물성치 최소 요구 양들은 다음과 같다 : Fluid Density Bulk Modulus, Shear Modulus, Elastic (Young’s) Modulus, 그리고 Poisson Ratio중 최소한 2개의 탄성 물성치. 이것이 만족되지 않으면 모사는 시작되지 않는다. 이 물성치들은 Fluids tab, Properties Fluid 1 Solidification Model Solidified Fluid 1 Properties에서 지정된다.

Yield Stress 입력은 항복 응력 극한값(응력의 단위)으로의 입력을 가능하게 한다. 이 값을 구성요소에 지정하면 그 요소에 대한 Plastic deformation 모델을 활성화시키는데 이는 지역 von Mises 응력이 지정된 값을 넘는 곳에서의 비탄성 변형을 예측한다. 이 값을 -1로 놔두면 항복이 없음을 의미한다; 즉, 무한항복응력.

액체 내 압력은 액체/고체 경계면에서 경계조건으로 사용된다. 대부분의 응고 된 유체물성은 표 입력을 통한 온도의 함수로 정의될 수 있다. 온도의존물성을 직접 입력하기 위해 Tabular 버튼을 누르거나 기존의 comma separated value (csv) 파일로부터 값을 읽거나 또는 지정된 외부 파일로부터의 값을 사용하는Use File 버튼을 누른다. 이 물성치들은 Materials Fluids Database 메뉴로부터 요소로 불러들일 수 있다.

Note:

각주: 밀도를 온도의 함수로 정의하기 위해 the Density Properties of Fluid 1에서 정의 되어야 한다. 일단 밀도에 대한 표가 있으면 이는 액체와 응고된 유체의 밀도에 이용될 것이다.

탄성 물성치가 주어진 후, 응고유체부분에 대한 유한요소(FE) 격자를 생성하게 된다. 이는 Meshing & Geometry Geometry Solidified fluid region 에서 수행된다. 전처리는 FE 격자를 생성하기 위해 유체지역을 감싸는 직사각형의 직교격자를 사용한다. 이 Input Mesh는 궁극적으로 유체(디폴트)를 해석하기 위한 직교격자이거나 단지 응고된 유체지역의 FE 격자를 생성하기 위한 독자적인 Local Input Mesh 일수 있다. FE 격자 발생기는 기본값으로 Solid 요소나 FEA domain removing 요소가 차지하고 있는 지역을 제외한 전체 영역을 둘러싸는 FE 격자를 생성할 것이다.

Note:

  • Local Input Mesh 정보는 prepin.* 파일이 아닌 다음 단계에서 생성되는 FE Mesh File 에 저장될 것이다.
  • 이동하는 구성요소가 차지하는 영역은 모사 중 어떤 순간에 이 지역이 응고된 유체에 의해 채워질 수 있다고 가정되므로 기본적으로 FLOW-3D 의 FE 격자 생성기에 의해 격자가 생성될 것이다. 응고유체에 의해 채워질 수 없는 지역을 알면 그 지역에 FEA domain removing 요소를 생성한다.

원통 좌표 유체격자가 축 대칭이거나 완전3차원인 FE 격자를 생성하는데 이용될 수 있다. 제약은 3차원 격자에 대해 FE 격자는 격자중심선을 접할 수가 없다; 이는 격자에 특이점을 발생시킬 것이다.

FE mesh type 밑으로 펼쳐지는 메뉴는 Hexahedron Tetrahedron 격자의 선택을 허용한다. 기본값인 6면체 격자는 부드러운 경계면을 허용하기 위해 요소경계근처에서 어떤 꼭지점들이 병합되는 6면을가지는 요소들에 근거한다. 4면체 격자는 4면을가지는 요소로 구성되며 어떤 꼭지점이 병합될 필요가 없다. 4면 격자는 단순하고 선형함수를 사용하며 CPU시간이 적게 소요된다. 그러나 선형 기본 함수로 인해 결과는 다소 부드럽지 않을 수 있다

Input Mesh 가 정의된 후 FE mesh를 위해 FE Mesh File and Generate 를 우측 클릭한다. 파일 이름이 지정되지 않으면 이 격자 파일 이름은 기본값으로 solidified_fluid.prjext.FEmesh가 되며 prjext 는 project  확장자이다. 한 FE 격자파일이 이미 존재하면 File options 버튼을 이용하여 이를 열고 기존FE 격자파일을 위해 FE Mesh File and Load and Display 를 우 클릭한다. FE 격자에 만족하면 FE mesh type 메뉴로부터 Use FLOW-3D mesh 를 선택한다.

FE mesh type 메뉴의 마지막 선택은 Use EXODUS FE mesh 이며 이는 EXODUS II 파일포맷 격자의 입력을 허용한다. EXODUS II 격자의 사용의 더 상세한 정보는 아래를 참조한다.

Note:

  • Use FLOW-3D mesh 선택이 체크되지 않으면 FE 격자 파일은 Generate Preprocess Simulation 이 선택될 때마다 재 생성된다.
  • 전처리는 Input Mesh 내의 전체공간 지역에 격자를 생성한다. 어떤 응고유체 지역이 공간지역 내 일부에 없을 것이라는 것을 미리 알면 그 부분은 Component type 선택이 FEA domain removing 인 요소를 가지는 FE 격자로부터 제거될 수 있다.

응고유체 지역이 인근 요소와 접촉할 때 모델은 이 구성요소가 어떻게 거동하는지 알아야 한다. 비 FSI 요소나 TSE/FSI 결합이 No coupling (하기참조)로 지정될 경우 인근요소들은 Constraining Component 이거나 a Non-constraining component 이다. 제약요소의 예는 스틸 금형 이다: 요소의 변형은 응고유체 내 발달된 응력에 비해 작을 것이다. 반대로, 비 제약 요소의 예제는 사형이다; 이런 몰드는 상당한 응력을 견디지 못해서 응고유체지역에 어떤 제약적인 힘을 미치지 못할 것이다.

Numerical Options 수치 선택

TSE 영역과 인접요소 간의 복잡한 상호작용이 모사될 필요가 있는 경우에 인접요소는 요소로 지정될 수 있고 Partial coupling 선택은  Numerics Coupling between solid fluid/FSI 선택 상자(이 이미지 참조)에서 사용될 수 있다. 기본값으로 No coupling 이 선택되는데 이는 기본 Constraining 이나 :guilabel :Non-constraining 선택들을 허용한다. The Partial coupling 은 TSE 지역과 FSI 요소가 분리되거나 서로 미끄러져 지나가는 것을 허용하지만 서로 간섭할 수는 없다. 미끄럼 마찰은 Friction coefficient 의 값을 지정함으로써 조절된다. 기본값으로 sliding 마찰은 제약이 없다.(즉, 미끄러짐은 TSE 지역과 FSI 요소가 접촉하고 있는 한 발생할 수 없다); 이를 0이나 미끄러질 수 있도록 더 큰 값으로 지정한다. 물리적 값은 일반적으로1보다 작다.

solidified fluid region 내 응력해석에 사용된 솔버는 GMRES 솔버와 유사하다. 이는 현재 이용 가능한 유일한 솔버이며 사용자는 GMRES subspace 크기(가끔 restart number로불리고 입력파일 내에서는MRSTRTFSI), 최대 반복 횟수 및 수렴 공차를 조절할 수 있다. 이 변수들의 변경은 Numerics 탭의 FSI/TSE solver options 에서 이루어진다.

GMRES subspace 크기의 디폴트 값은 20이다. 이 값을 증가시키면 솔버는 적은 반복수로 수렴에 도달할 것이다; 그러나 반복횟수당 CPU 시간은 증가하고 메모리사용도 subspace 크기에 따라 증가할 것이다. 수렴이 잘 되지 않는 모사(즉 최대반복수가 되어 FEA convergence ratio 가 1보다 클 경우)들에서는 이 값을 증가시키면 전체 시간이 크게 감소할 것이다.

추가로 Dynamically selected subspace size가 선택되면 솔버는 자동적으로 해석효과를 최적화하기 위해 subspace 크기를 조절할 것이다. 이 경우 GMRES subspace size 의 입력(또는 디폴트)값은 최대 이 경우 subspace 크기가 된다. 그러므로 이 선택 시에는 솔버에 더 큰 유연성을 주므로 가능한 가장 큰 값을 지정하는 것이 좋은 선택(컴퓨터에서 이용 가능한 메모리까지)이다. 수렴이 쉽게 되는 경우에는 subspace 크기가 솔버 효율 최적화를 위해 자동적으로 감소될 것이다.

Maximum number of iterations는 솔버가 사용하는 반복 수를 제한한다; 기본값은 보통 모사에 충분한 25이다. 솔버에서 FSI 반복수가 반복해서 제한(Simulation messages에서 보이듯이)에 도달하면 이 제한이나 subspace 크기가 증가될 수 있다. 우선 subspace 크기를 증가시키는 것 (이용 가능한 memory 제한까지) 이 권장된다.

Convergence tolerance 는 고체역학방정식의 해에 허용된 최대 잔류치를 지정한다. 이 값은 무차원으로 격자 크기와 시간단계에 무관하다. 이 값은 계산되는 변형들의 상대 에러를 나타낸다. 기본값은 10-3이며 대부분의 모사에 잘 작동한다. 그러나 모사 목적이 시간에 정확한 결과보다 마지막 응력결과라면 이 값을 증가시키는 것이 마지막 결과의 정확성에 영향이 없을 것이다. 모사 중에 변위와 응력이 아주 정확해야 할 경우에는 이 값을 줄이는 것이 도움이 된다. 수렴은 일반적으로 기계정확도의 반올림의 이유로 10-8 보다 작은 수렴공차 값에 대해 점진적으로 느려진다.

Preconditioning of FSI GMRES (디폴트) 선택은 GMRES 반복 수를 감소시키려는 목적으로 GMRES 알고리즘을 이용하기 전에 전처리 알고리즘을 사용한다. 전처리 알고리즘은 다음 경우에만 이용한다.

  1. GMRES 선택이 활성화되고
  2. 이전 10개의 계산사이클 중에 고체역학방정식을 해석하는데 필요한 평균 반복수가 4를 초과할 경우

Fully coupled stress between solidified and non- solidified fluid 선택은 응고 표면이 발달될 때 응고와 비응고 유체간 경계조건의 조정을 허용한다. 기본값(비활성화)은 각 사이클마다 표면의 위치를 고정시키는 것이다. 이는 수치적으로 안정적이고 계산시간을 최소화하며 응고유체의 “부유 조각” 수치효과를 위해 충분히 제어하는 것을 확실하게 해준다. 비응고 유체(즉, 압력)와 응고 물질간의 응력 결합을 모사하는 것이 중요하면 이를 선택한다. 이 선택은 응고 시 발생하는 수치적 문제의 위험성을 증가시키지는 않으나 계산시간을 증가시킬 것이다.

 

중요한 고려할 점

중력이 모사에 이용되면 응고 유체영역은 격자 경계나 다른 요소들과 접촉하고 있어서 자유로이 움직일 수 없어야 한다. 제약이 없으면 고체역학방정식은 고체의 강체 운동을 예측할 것이고 이 운동은 유체에서 표현될 수 없다. 자유-부유 응고 유체지역은 중력 없이 모델링 될 수 있다.

 

Postprocessing후처리

이 모델에 의해 생성된 유한요소결과는 별도의 화면을 통해 볼 수 있다. TSE 데이터에 접근하기 위해 Analyze 탭으로부터 FSI TSE 보조 탭을 선택한다.

이 탭으로부터 어느 요소를 볼지 선택한다.

각주: 응고유체지역은 항상 요소 0으로 표식 된다.

또한 데이터 소스와 시간 제약을 선택할 수 있다. Selected 데이터를 보기 위해 Fluid structure interaction이 모사 설정 중에 Model Setup Output 에 있는 Selected data 리스트로부터 선택되어야 한다. Render 를 클릭하면 Display 탭이 나타나고 이로부터 다양한 데이터 변수들을 FSI 요소에 대해 그릴 수 있다. 확대, 회전 등의 다른 조절은 3차원 화면과 같다.

기본 화면은 Normal displacement 이다. 이는 요소 표면에 수직이며 원래 형태에 상대적으로 외부로 향하는 방향의 표면변위를 보여준다. 음의 값은 표면이 안쪽으로 당겨지고 양의 값은 표면이 원래 위치에 상대적으로 밖으로 밀려나는 것을 가리킨다. x, y 그리고 z 방향에서 각 요소 전체를 통한 각 변위들은 또한 X displacement, Y displacement, Z displacement 를 선택함으로써 각각 보여질 수 있다.

6성분의 탄성응력과 6성분의 변형을 그릴 수 있다. 이는 대칭 응력과 변형 텐서로 이루어지는6개의 독립 성분이다. 심지어 좌표축에 대각인 1차원 인장에서 0이 아닌 많은 응력성분 들이 생성되는 것과 마찬가지로 이 성분들은 3차원 모사에서 고려되기 어렵다. 이 때문에 mean iso stress 와 the Von Mises stress 가 주어진다. 이들은 응력 불변이므로 선택한 좌표계에 무관하다. mean iso stress 는 등방성 응력이며 고체내의 압축(음의 값) 또는 인장(양의 값)응력의 양이고 좌굴 및 균열을 쉽게 받을 수 있는 지역을 가리킨다. 대조적으로 Von Mises stress 는 전단응력의 측정이다; 항상 이 값은 양이다. 고 전단응력의 지역은 쉽게 균열이 발생한다. 그러므로 단순 압축이나 인장은 무시할만한 Von Mises stress를 가질 수 있다; 반대로 단순 전단을 받는 고체는 무시할만한 압축 또는 인장응력을 받는다.

Yield Stress에 대해 한 값이 지정되면 이때 응고유체지역의 소성변형 데이터를 얻을 수 있다. 이 데이터는 소성변형의 독립적 성분(모두 무차원)과 소성변형크기(소성변형텐서의 2차불변항)를 포함한다. 이 값들은 최대 소성변형이 발생한 요소내의 위치를 가리킨다.

Temperature 는 편리하게 그림으로 그릴 수 있다. 이 온도는 유체의3차원 그림으로의 유체 온도와 같다. volume expansion 은 모사 중 늘거나(양의값) 줄어든(음의값) 요소의 지역을 가리킨다. 이러한 확장과 수축은  온도변화 또는 인장 또는 압축 응력에 의해  발생할 수 있다.

Export/Import TSE Meshes격자의 외부 입/출력

TSE 격자 및 데이터는 임의접근, 기기 독립이며 2진 파일 형태인 EXODUS II 파일 형태로 내 외부로 유출 유입될 수 있다. EXODUS II 는 유한요소해석 데이터의 저장 및 회수를 하기 위해 개발된 널리 사용되는 모델이다. EXODUS II 파일형태의 격자와 데이터 파일을 외부로 보내는 능력은 이동성을 강화시키고FLOW-3D GUI 외부에서도 FSI 결과를 보게 해줄 수 있다. ParaViewEXODUS II 파일을 보는데 이용할 수 있는 무상의 다기종 데이터 해석 및 가시화 응용 프로그램이다. EXODUS II 출력파일을 생성하기 위해 Model Setup Output 를 선택한다. Additional output 절에서 아래로 펼쳐지는 FSI/TSE EXODUS output format 의 메뉴에서 필요한 선택을 한다.

TSE 격자파일은 단지 격자정보(요소, 교점 등) 를 저장하며 반면에 TSE 데이터 파일은 각 FE 격자 격자정보뿐만 아니라 응력, 변형등과 같은 FE 격자 교점에서 물성을 포함한다. TSE data variables 테이블은 모든 데이터 TSE 변수들의 기술을 제공한다.

TSE 격자파일은 확장자 .EXFEmesh.exo 를 가지며 후처리 직후에 한 번만 쓰여진다. TSE 데이터 파일은 EXFEdata.exo 확장자를 가지며 재시작 데이터와 같은 빈도로 출력된다. EXODUS II 데이터 파일은 모든 재시작 출력 시간에 데이터를 포함하는 단일 파일(각FSI 요소에 대해 하나)이다. prepin.* 파일에서 변수 IEXODUSOUT(namelist XPUT)는 EXODUS II 포맷(see상세 내용을 위해 File Control Options 를 참조)으로 TSE 격자와 데이터 파일을 출력하는데 사용될 수 있다.

 

Table 11.9: TSE data variables

FE MESH VARIABLE DESCRIPTION
stressxx xx-요소 탄성 응력 텐서
stressxy xy-요소 탄성 응력 텐서
stressxz xz-요소 탄성 응력 텐서
stressyy yy-요소 탄성 응력 텐서
stressyz yz-요소 탄성 응력 텐서
stresszz zz-요소 탄성 응력 텐서
DISPLX x-요소 지역 변위벡터
DISPLY y-요소 지역 변위벡터
DISPLZ z-요소 지역 변위벡터
strainxx xx-요소 대칭 응력 텐서
strainxy xy-요소 대칭 응력 텐서
strainxz xz-요소 대칭 응력 텐서
strainyy yy-요소 대칭 응력 텐서
strainyz yz-요소 대칭 응력 텐서
strainzz zz-요소 대칭 응력 텐서
rel volume expansion 상대 체적확장. 응력 텐서의 제1불변량(대각합)
mean iso stress 평균 등방성 탄성 응력.

순수 압축(음이면)또는 인장(양이면)의 척도를 나타낸다.

찬성응력텐서의 대각합의 1/3

VM stress Von Mises stress. 응력 전단 응력의 척도를 나타낸다; 이 값은 항상 양이다. 고 전단응력지역은 균열을 받기 쉽다. 이는 탄성 응력 텐서의 2차 불변량의 제곱근이다.
Temperature 지역 고체온도
norm displ 고체 요소 경계의 수직 변위

요소경계에서는0이아님

Active node? 지역 노드의 활동 상태. 유체가 아직 액체(즉, T > Tsld) 인 지역내의 노드 또는 공간상이면 inactive.
pstrainxx 소성 변형 텐서의 xx-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효.
pstrainxy 소성 변형 텐서의 xy-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효.
pstrainxz 소성 변형 텐서의 xz-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효.
pstrainyy 소성 변형 텐서의 yy-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효.
pstrainyz 소성 변형 텐서의 yz-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효.
pstrainzz 소성 변형 텐서의 zz-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효.
pstrainmag 소성 변형 텐서의 xx-요소. 단지 항복(YLDSTRTS > 0) 이 지정되었을 경우에만 유효. 이는 소성 변형 텐서의2차 불변항의 제곱근이다.
Continued on next page

Table 11.9 – continued from previous page

FE MESH VARIABLE DESCRIPTION
nn:T Normal component of traction on the component interface. This is a measure of the force (due to surrounding fluid, neighboring components) on the component. Non-zero only on component interfaces.

요소 경계면 상의 마찰력의 수직 성분. 이는 요소에 대한 힘(주변유체 및 인근요소) 의 척도이다.

EXODUS II 격자를 FLOW-3D로 가져오는 것이 가능하다. 이 기능을 이용하여 FLOW-3D 에서 미리 생성된   EXODUS II 격자는 디폴트 FLOW-3D FE 격자형태 대신 FE 격자를 지정하는데 사용될 수 있다.

사용자 이용 면에서 FE mesh type의 펼쳐지는 메뉴의 마지막 선택은 Use EXODUS FE mesh 이며 EXODUS II 파일형태 격자의 입력을 허용한다.

 

 

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

FLOW-3D의 TSE(Thermalstressdiversion)모델은 모델링 가능한 주조 프로세스의 범위를 확장합니다. FSI/SETSE모델은 주변 유체, 열 구배 및 지정된 구속 조건의 압력에 대응하여 솔리드 및 단단한 구성 요소의 응력 및 변형을 모델링 하는 유한 요소 접근 방식을 사용하여 유체와 솔리드 사이의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다.

균일하지 않은 냉각에 의해 발생하는 응고 과정 동안 열 스트레스가 발생합니다. 이러한 응력은 주형 벽의 수축 및 주물 형상의 불규칙에 의해 영향을 받습니다.Thermal stress evolution simulation
Von Mises stresses in a solidified aluminum V6 engine block

위의 시뮬레이션은 VonMises가 단단한 알루미늄 V6엔진 블록에서 응력을 나타냅니다. 이 블록은 강철 다이 내에서 주조된 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다.

알루미늄의 주입 온도는 527°C였으며 초기 다이 온도는 125°C였습니다. 부품을 60초 동안 다이 내에서 냉각한 후 주변 조건(125°C)에서 9분 동안 부품을 계속 냉각시켜 총 10분의 시뮬레이션 시간을 제공했습니다. 표시된 VonMises 응력은 부품 내 전단 응력의 크기를 측정한 것이며, 따라서 찢어지기 쉬운 부위를 보여 줍니다.

응력은 금형과 응고 금속에서 동시에 계산할 수 있습니다. FLOW-3D의 구조화된 메쉬를 초기 템플릿으로 사용하여 자동으로 메쉬 작업을 수행할 수 있습니다. 사용자는 중첩 또는 링크된 메쉬 블록을 만들고 V1.1.0의 새로운 적합한 메쉬 기능을 사용하여 메쉬의 로컬 해상도를 제어할 수 있습니다. 또는, Exodus-II형식의 타사 메쉬 생성 소프트웨어에서 유한 요소 메쉬를 가져올 수 있습니다.

Simulating Thermal Stress

아래에 표시된 알루미늄 커버는 강철 다이 내 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다. 주입 온도는 654°C였으며 초기 다이 온도는 240°C였습니다. 부품이 다이 내에서 6s동안 냉각되었으며 이때 부품이 완전히 경화되었습니다(러너 시스템 제외). 그런 다음 다이를 열고 부품이 주변 조건(25°C)에서 10초 이상 냉각되도록 했습니다. 그런 다음 탕도(runner)시스템을 제거했고, 이후 주변 조건에서 10초간 더 냉각했습니다. 여기에 표시된 정상 변위는 부품 표면의 움직임을 나타내며, 최대 변형 영역을 강조하기 위해 30회 증폭됩니다.

Displacements in a die cast part, die closed
Displacements in a die cast part, die closed.
Displacements in the part and runners, die open
Displacements in the part and runners, die open.
Displacements in the part with runner system removed
Displacements in the part with runner system removed.

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

FLOW-3Dv11의 새로운 기능은 인접한 FSI(유체-구조물 상호 작용)구성 요소 및/또는 TSE(열 스트레스 진화)고체화된 유체 영역 간의 탄성 응력을 결합할 수 있는 기존의 유한 요소 고체 역학 용제의 업그레이드입니다. 이 새로운 기능은 복합 재료 부품(예:주형에서 응고되는 금속 주물 응고제 또는 바이메탈 게이지)의 열 응력과 변형을 시뮬레이션하고 반경 게이트 및 파이프 라인 지지 시스템과 같은 연결된 유압 구조에 가해지는 힘을 시뮬레이션하는 등 다양한 모델링 가능성을 열어 줍니다.

모델에는 복잡한 프로세스를 효율적으로 계산할 수 있는 여러가지 옵션이 있습니다.

No coupling

이 옵션은 인접 FSI구성 요소가 응력을 교환하지 않는 단순화된 경우를 나타냅니다. 그것은 계산적으로 효율적이며 요소들 간의 스트레스 상호 작용이 중요하지 않은 시나리오에 적합하다.

Full coupling

전체 커플링 옵션은 서로 다른 재료 특성을 가진 인접 FSI구성 요소를 모델링 하기 위한 것입니다. 두 구성 요소는 서로 당기거나 미끄러질 수 없지만 인터페이스의 응력은 구성 요소 간에 전달됩니다. 이는 바이메탈과 같이 접합된 구조물을 모델링 하는 데 이상적입니다.

Partial coupling

부분 커플링 옵션은 인접 FSI구성 요소가 마찰력과 정상적인 힘을 통해 상호 작용하지만 분리될 수 있는 일반적인 문제를 모델링 하기 위한 것. 이 옵션은 FSI구성 요소와 TSE의 고체화된 유체 영역을 결합하는 데 사용될 수 있으므로 부품이 다이에서 냉각될 때 주조 부품 및 다이에 대한 열 응력의 영향을 조사하는 데 이상적입니다.

두가지 시뮬레이션이 제시되어 모델의 새로운 특징을 보다 자세히 보여 줍니다. 첫번째 상황에서는 완전한 커플링 옵션을 사용하여 시간이 변화하는 온도에 대응하여 바이메탈 벤딩을 모델링 하는 반면, 두번째 예에서는 다이에서 V6엔진 블록을 응고하는 동안 부분 커플링 모델을 사용하여 열 응력을 확인하는 것을 보여 줍니다.

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

전체 커플링 옵션의 가장 간단한 예 중 하나는 온도 구배에 대한 반응으로 바이메탈이 움직이는 것입니다. 이러한 스트립은 온도 변화에 대응하여 두 금속이 동일한 속도로 팽창하지 않기 때문에 열 스위치 및 벤딩에 일반적으로 사용됩니다. 시뮬레이션에서 모델링 된 바이메탈은 그림 1과 같이 길이 15cm, 두께 0.5cm의 강철 스트립으로 구성된 캔틸레버 빔입니다.

Schematic of bimetallic strip
그림 1:예제 시뮬레이션에 사용된 바이메탈의 개략도; 검은 색 화살표는 편향이 프로브 되는 위치를 나타내고, 양의 편향은 상향이다.

그리고 나서 스트립은 온도가 70초에 걸쳐 균일하게 변화하는 환경에 배치되었다. 그림 2는 시간 경과에 따른 다양한 온도에서 시뮬레이션 및 분석 용액을 위한 스트립 팁의 편향을 보여 준다. 결과는 온도가 변한 시기와 스트립의 열적 관성으로 인한 스트립의 반응 사이의 약간의 지연을 포함하여 몇가지 흥미로운 특징을 보여 준다. 이러한 지연은 분석 솔루션이 온도의 즉각적인 변화를 가정하기 때문에 계산된 편향과 분석적 편향 사이의 타이밍 차이에도 영향을 미친다. 변위의 진폭 차이는 분석 결과에서 무한대의 얇은 스트립의 가정에 기인할 수 있다. 계산 모델의 두께는 장착 지점에 응력을 추가하여 편향을 증가시킵니다.

Bimetallic deflection plot FLOW-3D
그림 2:스트립의 끝에서 시뮬레이션 시간에 걸쳐 처짐. 그림에 표시된 것은 스트립의 평균 온도( 진한 파란 색)뿐만 아니라 분석적( 연한 파란 색)및 계산( 빨간 색)편향입니다.

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

Temperature profile of a v6 engine block
Figure 3: V6 엔진 블록의 온도 프로파일 단면도. 시뮬레이션 시작 7 초.

두번째 예제 시뮬레이션에서는 부분 커플링 모델을 사용하여 변형 가능한 강철 다이 내 금속 주물의 응력 개발을 보여 줍니다. 다이의 두 절반과 응고된 유체는 부분적으로 서로 결합되어 정상적인 응력과 마찰을 통해 상호 작용합니다. 시뮬레이션은 다이와 주물 부품의 열 응력 변화를 770,000 K의 solidus온도 바로 아래에서 298K의 주변 온도로 냉각하는 모습을 보여 줍니다. 주물 부분은 A380알루미늄 합금으로 구성되어 있고 다이 반쪽은 H-13강철로 구성되어 있습니다.

주조 부품과 주변 다이의 유한 요소 메시는 그림 3과 같이 3,665,533 요소와 3,862,378개 노드로 구성됩니다. 또한 각 다이의 절반에 대해 분리된 메쉬와 TSE고형화된 유체 영역도 나와 있습니다. 전면의 빨간 색 원은 서포트 피스톤 때문입니다(그림과 같이 표시되지 않음).

Thermal stress model
Figure 4 는 채워진 후 고압 다이 캐스팅 부품 300s의 주조물 온도와 변위 크기로 채색 된 강철 다이 조각을 결합한 이미지를 보여줍니다. 이 시뮬레이션에서, 다이는 응고하는 알루미늄에 연결되어 응력이 그들 사이에 전달됩니다. 변위 크기는 다이의 에지에서 0에서부터 주조에 인접한 0.1mm 이상까지 다양합니다.

금형과 응고된 유체 표면 사이의 경계면에서 발생하는 응력이 부분적으로 결합되어 제한된 수축을 확인할 수 있습니다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 주형 부분의 변형과 다이 부분의 절반의 변형을 보여 줍니다. 온도가 감소함에 따라 다이 캐스트와 주물이 서로 다른 속도로 수축하여 간섭 영역에 큰 응력이 발생하고 잠재적인 문제 영역이 나타납니다. 다이와 부품에서 결합된 응력을 계산하면 사용자가 각 구성 요소 내에서 발생하는 응력을 더 잘 예측하고 부품 품질을 개선하고 도구 수명을 연장하는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

Conclusion

다른 단단한 물체들의 상호 작용은 현대 디자인과 공학의 중요한 부분입니다. FSI구성 요소와 TSE고정 유체 영역 간의 새로운 결합 옵션이 FLOW-3D에 추가되어 오늘날의 엔지니어들이 정기적으로 접하는 복잡한 기하학적 구조를 평가하는 데 유용한 도구가 되었습니다.

스퀴즈(압착) 핀 / Squeeze Pins

스퀴즈(압착) 핀 / Squeeze Pins

주조의 복잡성이 증가함에 따라, 게이팅 및 피딩 시스템 및 적절한 다이 온도 관리가 최적화되어 있음에도 불구하고, 대부분의 경우 절삭유 부족으로 인한 다공성 수축이 불가피합니다. 고압 및 영구 몰드 주조에서 수축 다공성을 감소시키기 위해 국부적으로 금속을 압착하는 데 압착 핀이 자주 사용됩니다. 그러나 스퀴즈 핀의 효과는 압착의 타이밍과 위치에 따라 크게 좌우됩니다. 이러한 실제 시나리오를 예측하기 위해 스퀴즈 핀 모델이 FLOW-3D 버전 11.1 및 FLOW-3D Cast v4.1에서 개발되어 스퀴즈 핀 프로세스 매개 변수를 설계하고 최적화하는 데 도움을 줍니다.

주조물의 복잡성이 증가함에 따라 최적화된 탕구계 및 공급 시스템과 적절한 다이 온도 관리에도 불구하고, 많은 부품에서 불량한 공급으로 인한 수축 다공성이 불가피한 경우가 많습니다.

고압 및 영구 금형 주물에서는 squeeze 핀을 사용하여 금속을 국부적으로 눌러 수축 다공성을 낮추는 경우가 많습니다. 단, squeeze 핀의 효과는 그 배치와 가압 시기에 따라 크게 달라집니다. 이러한 실제 시나리오를 예측하기 위해 FLOW-3D에서 스퀴즈 핀 프로세스 매개 변수를 설계하고 최적화하는데 도움이 되는 스퀴즈 핀 모델이 개발되었습니다 .

Squeeze Pin Model in FLOW-3D

스퀴즈 핀 모델은 규정 된 moving objects model 을 기반으로하며 열 전달 및 응고 역학 고려 사항을 기반으로하는 단순 수축 모델과 함께 작동합니다. 활성화되면 스퀴즈 핀이 인접한 액체 금속의 수축량을 감지하고 해당 부피를 정확하게 보정하기 위해 이동합니다. 스퀴즈 핀은 최대 허용 거리를 벗어나거나 표면에 너무 많은 굳은 금속을 만나면 멈 춥니 다. 핀에 대한 힘을 정의 할 수 있으며 금속 압력으로 변환됩니다. 그 압력은  thermal stress evolution 및 미세 다공성 모델과 함께 사용할 수 있습니다 .

스퀴즈 핀의 활성화 타이밍은 모델의 구성 요소입니다. 이 모델은 몇 가지 유연한 활성화 제어를 제공합니다. 스퀴즈 핀은 Active Simulation Control 이벤트에 의해 사용자가 지정한 시간에 활성화되거나 자동으로 활성화되도록 설정할 수 있습니다. 후자의 경우 다음 조건이 충족되면 스퀴즈 핀이 활성화됩니다.

  1. 핀은 액체 영역에 인접 해 있습니다.
  2. 핀 사이의 경쟁을 피하기 위해 핀이 인접한 액체 경로를 통해 다른 핀에 연결되어 있지 않습니다.
  3. 인접한 액체 영역에는 게이트가 응고 된 금속으로 밀봉되기 전에 금속이 캐비티 밖으로 밀려 나올 수있는 자유 표면이 없습니다.

자동 활성화 제어는 핀의 정확한 타이밍을 알 수없는 설계 단계에서 유용합니다. 이 경우 핀 활성화 시간은 모델 출력의 일부입니다.

버전 11.1의 새로운 기능인 Active Simulation Control을 사용하여 다이캐스팅 기계에서 실제 스퀴즈 핀 제어 시스템을 모방 할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 주조의 다른 부분에있는 솔루션을 기반으로 핀 타이밍에 더 많은 제어 및 개선을 추가 할 수 있습니다.

Squeeze Pin Model Applications

  • 주물에서 공급이 어려운 부분의 다공성을 줄이거 나 제거하는 스퀴즈 핀의 효과 시뮬레이션
  • 숏 슬리브 피스톤은 응고 수축을 보상하고 강화 압력을 적용하기 위해 응고 중에 스퀴즈 핀으로 정의 할 수 있습니다.
  • 기존 스퀴즈 핀 설계 검증
  • 스퀴즈 핀 배치 최적화
  • 스퀴즈 핀 활성화 타이밍 최적화
  • 실제 다이캐스팅 기계에서 스퀴즈 핀 제어 검증 및 최적화

Sample Results

Squeeze pin configuration

2-캐비티 고압 다이 캐스트에 대한 사례 연구가 수행되었습니다.  두 세트의 시뮬레이션이 실행되었습니다. 하나는 스퀴즈 핀이없는 것이고 다른 하나는 스퀴즈 핀이있는 것입니다. 스퀴즈 핀의 구성은 그림 1에 나와 있습니다. 스퀴즈 핀은 두 개의 주조 부품 각각의 중앙에 배치됩니다. 이 스퀴즈 핀은 자동으로 활성화되도록 설정됩니다. 플런저는 충전 완료 즉시 활성화되도록 설정되는 압착 핀으로도 정의됩니다. 결과 수축 분포는 그림 2에 나와 있습니다. 스퀴즈 핀에 의한 수축 감소는 주물 중앙과 비스킷 중앙에서 분명합니다. 두 시뮬레이션의 총 매크로 수축도 비교되고 그림 3에 그려져 있는데, 이는 스퀴즈 핀에 의한 극적인 수축 감소를 정량적으로 보여줍니다.

Shrinkage distribution squeeze pin model

핀 활성화 시간은 그림 4와 같이 화면, HD3MSG, HD3OUT 및 REPORT 파일에 기록됩니다. 시간 정보는 고압 다이캐스팅 기계에서 스퀴즈 핀 제어 매개 변수로 직접 사용할 수 있습니다. 또한 각 스퀴즈 핀의 이동 거리와 변위량도 일반 이력 데이터에 기록되어 각 스퀴즈 핀의 효과를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 그림 5와 같이 각 스퀴즈 핀의 이동 거리가 표시됩니다. 플런저는 미리 정해진대로 시뮬레이션 시작시 즉시 움직이고, 플런저 근처가 마지막 응고 영역이고 가장 큰 수축을 생성한다는 사실로 인해 가장 멀리 그리고 가장 길게 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 두 개의 주조 부품 각각의 중앙에 정의 된 두 개의 스퀴즈 핀이 동시에 활성화됩니다.주조 및 압착 핀 구성의 대칭으로 인해 거의 동일한 거리를 이동했습니다.

Macro-shrinkage volume comparison with and without squeeze pins
Figure 3. Macro-shrinkage volume comparison with and without squeeze pins.
Pin activation output
Figure 4. The output of the pin’s activation in HD3MSG file.
The traveled distance of each squeeze pin
Figure 5. The traveled distance of each squeeze pin.

주조의 복잡성이 증가함에 따라 최적화된 게이팅 및 공급 시스템과 적절한 다이 온도 관리에도 불구하고 공급 불량으로 인한 수축 다공성은 종종 큰 부품 섹션에서 불가피합니다. 고압 및 영구 주형 주조에서 수축 공극률을 줄이기 위해 금속을 국부적으로 누르는데 스퀴즈 핀이 자주 사용됩니다. 그러나 스퀴즈 핀의 효과는 위치와 가압 타이밍에 따라 크게 달라집니다. 이러한 실제 시나리오를 예측하기 위해 FLOW-3D  에서 스퀴즈핀 프로세스 매개 변수를 설계하고 최적화하는 데 도움 이되는 스퀴즈핀 모델이 개발되었습니다 .

Thermal Stress Defects (열응력에 의한 결함)

Thermal Stress Defects (열응력에 의한 결함)

FLOW-3D의 열응력 모델은 열응력에 의한 결함이 발생할 수 있는 위치와 제품이 열응력에 의해 어떻게 변형될지 정확히 예측할 수 있습니다.  열응력은 금형과 응고되는 제품 사이의 상호작용을 고려해서 동시에 계산됩니다. 주조해석에서의 열응력 결함 제거에 대해 thermal stress evolution 기능을 통해서 자세히 알아 볼 수 있습니다.  금속 주조품에 열응력 결함 제거를 시작할 수 있도록 모델링 기능 섹션에서 열 응력 시뮬레이션에 대해 자세히 알아보세요.

FLOW-3D/MP Features List

FLOW-3D/MP Features

FLOW-3D/MP v6.1 은 FLOW-3D v11.1 솔버에 기초하여 물리 모델, 특징 및 그래픽 사용자 인터페이스가 동일합니다. FLOW-3D v11.1의 새로운 기능은 아래 파란색으로 표시되어 있으며 FLOW-3D/MP v6.1 에서 사용할 수 있습니다. 새로운 개발 기능에 대한 자세한 설명은 FLOW-3D v11.1에서 새로운 기능을 참조하십시오.

Meshing & Geometry

  • Structured finite difference/control volume meshes for fluid and thermal solutions
  • Finite element meshes in Cartesian and cylindrical coordinates for structural analysis
  • Multi-Block gridding with nested, linked, partially overlapping and conforming mesh blocks
  • Fractional areas/volumes (FAVOR™) for efficient & accurate geometry definition
  • Mesh quality checking
  • Basic Solids Modeler
  • Import CAD data
  • Import/export finite element meshes via Exodus-II file format
  • Grid & geometry independence
  • Cartesian or cylindrical coordinates
Flow Type Options
  • Internal, external & free-surface flows
  • 3D, 2D & 1D problems
  • Transient flows
  • Inviscid, viscous laminar & turbulent flows
  • Hybrid shallow water/3D flows
  • Non-inertial reference frame motion
  • Multiple scalar species
  • Two-phase flows
  • Heat transfer with phase change
  • Saturated & unsaturated porous media
Physical Modeling Options
  • Fluid structure interaction
  • Thermally-induced stresses
  • Plastic deformation of solids
  • Granular flow
  • Moisture drying
  • Solid solute dissolution
  • Sediment transport and scour
  • Cavitation (potential, passive tracking, active tracking)
  • Phase change (liquid-vapor, liquid-solid)
  • Surface tension
  • Thermocapillary effects
  • Wall adhesion
  • Wall roughness
  • Vapor & gas bubbles
  • Solidification & melting
  • Mass/momentum/energy sources
  • Shear, density & temperature-dependent viscosity
  • Thixotropic viscosity
  • Visco-elastic-plastic fluids
  • Elastic membranes & walls
  • Evaporation residue
  • Electro-mechanical effects
  • Dielectric phenomena
  • Electro-osmosis
  • Electrostatic particles
  • Joule heating
  • Air entrainment
  • Molecular & turbulent diffusion
  • Temperature-dependent material properties
  • Spray cooling
Flow Definition Options
  • General boundary conditions
    • Symmetry
    • Rigid and flexible walls
    • Continuative
    • Periodic
    • Specified pressure
    • Specified velocity
    • Outflow
    • Grid overlay
    • Hydrostatic pressure
    • Volume flow rate
    • Non-linear periodic and solitary surface waves
    • Rating curve and natural hydraulics
    • Wave absorbing layer
  • Restart from previous simulation
  • Continuation of a simulation
  • Overlay boundary conditions
  • Change mesh and modeling options
  • Change model parameters
Thermal Modeling Options
  • Natural convection
  • Forced convection
  • Conduction in fluid & solid
  • Fluid-solid heat transfer
  • Distributed energy sources/sinks in fluids and solids
  • Radiation
  • Viscous heating
  • Orthotropic thermal conductivity
  • Thermally-induced stresses
Turbulence Models
  • RNG model
  • Two-equation k-epsilon model
  • Two-equation k-omega model
  • Large eddy simulation
Metal Casting Models
  • Thermal stress & deformations
  • Iron solidification
  • Sand core blowing
  • Sand core drying
  • Permeable molds
  • Solidification & melting
  • Solidification shrinkage with interdendritic feeding
  • Micro & macro porosity
  • Binary alloy segregation
  • Thermal die cycling
  • Surface oxide defects
  • Cavitation potential
  • Lost-foam casting
  • Semi-solid material
  • Core gas generation
  • Back pressure & vents
  • Shot sleeves
  • PQ2 diagram
  • Squeeze pins
  • Filters
  • Air entrainment
  • Temperature-dependent material properties
  • Cooling channels
  • Fluid/wall contact time
Numerical Modeling Options
  • TruVOF Volume-of-Fluid (VOF) method for fluid interfaces
  • First and second order advection
  • Sharp and diffuse interface tracking
  • Implicit & explicit numerical methods
  • GMRES, point and line relaxation pressure solvers
  • User-defined variables, subroutines & output
  • Utilities for runtime interaction during execution
Fluid Modeling Options
  • One incompressible fluid – confined or with free surfaces
  • Two incompressible fluids – miscible or with sharp interfaces
  • Compressible fluid – subsonic, transonic, supersonic
  • Stratified fluid
  • Acoustic phenomena
  • Mass particles with variable density or diameter
Shallow Flow Models
  • General topography
  • Raster data interface
  • Subcomponent-specific surface roughness
  • Wind shear
  • Ground roughness effects
  • Laminar & turbulent flow
  • Sediment transport and scour
  • Surface tension
  • Heat transfer
  • Wetting & drying
Advanced Physical Models
  • General Moving Object model with 6 DOF–prescribed and fully-coupled motion
  • Rotating/spinning objects
  • Collision model
  • Tethered moving objects (springs, ropes, mooring lines)
  • Flexing membranes and walls
  • Porosity
  • Finite element based elastic-plastic deformation
  • Finite element based thermal stress evolution due to thermal changes in a solidifying fluid
  • Combusting solid components
Chemistry Models
  • Stiff equation solver for chemical rate equations
  • Stationary or advected species
Porous Media Models
  • Saturated and unsaturated flow
  • Variable porosity
  • Directional porosity
  • General flow losses (linear & quadratic)
  • Capillary pressure
  • Heat transfer in porous media
  • Van Genunchten model for unsaturated flow
Discrete Particle Models
  • Massless marker particles
  • Mass particles of variable size/mass
  • Linear & quadratic fluid-dynamic drag
  • Monte-Carlo diffusion
  • Particle-Fluid momentum coupling
  • Coefficient of restitution or sticky particles
  • Point or volumetric particle sources
  • Charged particles
  • Probe particles
Two-Phase & Two-Component Models
  • Liquid/liquid & gas/liquid interfaces
  • Variable density mixtures
  • Compressible fluid with a dispersed incompressible component
  • Drift flux
  • Two-component, vapor/non-condensable gases
  • Phase transformations for gas-liquid & liquid-solid
  • Adiabatic bubbles
  • Bubbles with phase change
  • Continuum fluid with discrete particles
  • Scalar transport
  • Homogeneous bubbles
  • Super-cooling
Coupling with Other Programs
  • Geometry input from Stereolithography (STL) files – binary or ASCII
  • Direct interfaces with EnSight®, FieldView® & Tecplot® visualization software
  • Finite element solution import/export via Exodus-II file format
  • PLOT3D output
  • Neutral file output
  • Extensive customization possibilities
  • Solid Properties Materials Database
Data Processing Options
  • State-of-the-art post-processing tool, FlowSight™
  • Batch post-processing
  • Report generation
  • Automatic or custom results analysis
  • High-quality OpenGL-based graphics
  • Color or B/W vector, contour, 3D surface & particle plots
  • Moving and stationary probes
  • Measurement baffles
  • Arbitrary sampling volumes
  • Force & moment output
  • Animation output
  • PostScript, JPEG & Bitmap output
  • Streamlines
  • Flow tracers
User Conveniences
  • Active simulation control (based on measurement of probes)
  • Mesh generators
  • Mesh quality checking
  • Tabular time-dependent input using external files
  • Automatic time-step control for accuracy & stability
  • Automatic convergence control
  • Mentor help to optimize efficiency
  • Change simulation parameters while solver runs
  • Launch and manage multiple simulations
  • Automatic simulation termination based on user-defined criteria
  • Run simulation on remote servers using remote solving
Multi-Processor Computing

FLOW-3D Features

The features in blue are newly-released in FLOW-3D v12.0.

Meshing & Geometry

  • Structured finite difference/control volume meshes for fluid and thermal solutions
  • Finite element meshes in Cartesian and cylindrical coordinates for structural analysis
  • Multi-Block gridding with nested, linked, partially overlapping and conforming mesh blocks
  • Conforming meshes extended to arbitrary shapes
  • Fractional areas/volumes (FAVOR™) for efficient & accurate geometry definition
  • Closing gaps in geometry
  • Mesh quality checking
  • Basic Solids Modeler
  • Import CAD data
  • Import/export finite element meshes via Exodus-II file format
  • Grid & geometry independence
  • Cartesian or cylindrical coordinates

Flow Type Options

  • Internal, external & free-surface flows
  • 3D, 2D & 1D problems
  • Transient flows
  • Inviscid, viscous laminar & turbulent flows
  • Hybrid shallow water/3D flows
  • Non-inertial reference frame motion
  • Multiple scalar species
  • Two-phase flows
  • Heat transfer with phase change
  • Saturated & unsaturated porous media

Physical Modeling Options

  • Fluid structure interaction
  • Thermally-induced stresses
  • Plastic deformation of solids
  • Granular flow
  • Moisture drying
  • Solid solute dissolution
  • Sediment transport and scour
  • Sludge settling
  • Cavitation (potential, passive tracking, active tracking)
  • Phase change (liquid-vapor, liquid-solid)
  • Surface tension
  • Thermocapillary effects
  • Wall adhesion
  • Wall roughness
  • Vapor & gas bubbles
  • Solidification & melting
  • Mass/momentum/energy sources
  • Shear, density & temperature-dependent viscosity
  • Thixotropic viscosity
  • Visco-elastic-plastic fluids
  • Elastic membranes & walls
  • Evaporation residue
  • Electro-mechanical effects
  • Dielectric phenomena
  • Electro-osmosis
  • Electrostatic particles
  • Joule heating
  • Air entrainment
  • Molecular & turbulent diffusion
  • Temperature-dependent material properties
  • Spray cooling

Flow Definition Options

  • General boundary conditions
    • Symmetry
    • Rigid and flexible walls
    • Continuative
    • Periodic
    • Specified pressure
    • Specified velocity
    • Outflow
    • Outflow pressure
    • Outflow boundaries with wave absorbing layers
    • Grid overlay
    • Hydrostatic pressure
    • Volume flow rate
    • Non-linear periodic and solitary surface waves
    • Rating curve and natural hydraulics
    • Wave absorbing layer
  • Restart from previous simulation
  • Continuation of a simulation
  • Overlay boundary conditions
  • Change mesh and modeling options
  • Change model parameters

Thermal Modeling Options

  • Natural convection
  • Forced convection
  • Conduction in fluid & solid
  • Fluid-solid heat transfer
  • Distributed energy sources/sinks in fluids and solids
  • Radiation
  • Viscous heating
  • Orthotropic thermal conductivity
  • Thermally-induced stresses

Numerical Modeling Options

  • TruVOF Volume-of-Fluid (VOF) method for fluid interfaces
  • Steady state accelerator for free-surface flows
  • First and second order advection
  • Sharp and diffuse interface tracking
  • Implicit & explicit numerical methods
  • Immersed boundary method
  • GMRES, point and line relaxation pressure solvers
  • User-defined variables, subroutines & output
  • Utilities for runtime interaction during execution

Fluid Modeling Options

  • One incompressible fluid – confined or with free surfaces
  • Two incompressible fluids – miscible or with sharp interfaces
  • Compressible fluid – subsonic, transonic, supersonic
  • Stratified fluid
  • Acoustic phenomena
  • Mass particles with variable density or diameter

Shallow Flow Models

  • General topography
  • Raster data interface
  • Subcomponent-specific surface roughness
  • Wind shear
  • Ground roughness effects
  • Manning’s roughness
  • Laminar & turbulent flow
  • Sediment transport and scour
  • Surface tension
  • Heat transfer
  • Wetting & drying

Turbulence Models

  • RNG model
  • Two-equation k-epsilon model
  • Two-equation k-omega model
  • Large eddy simulation

Advanced Physical Models

  • General Moving Object model with 6 DOF–prescribed and fully-coupled motion
  • Rotating/spinning objects
  • Collision model
  • Tethered moving objects (springs, ropes, breaking mooring lines)
  • Flexing membranes and walls
  • Porosity
  • Finite element based elastic-plastic deformation
  • Finite element based thermal stress evolution due to thermal changes in a solidifying fluid
  • Combusting solid components

Chemistry Models

  • Stiff equation solver for chemical rate equations
  • Stationary or advected species

Porous Media Models

  • Saturated and unsaturated flow
  • Variable porosity
  • Directional porosity
  • General flow losses (linear & quadratic)
  • Capillary pressure
  • Heat transfer in porous media
  • Van Genunchten model for unsaturated flow

Discrete Particle Models

  • Massless marker particles
  • Multi-species material particles of variable size and mass
  • Solid, fluid, gas particles
  • Void particles tracking collapsed void regions
  • Non-linear fluid-dynamic drag
  • Added mass effects
  • Monte-Carlo diffusion
  • Particle-fluid momentum coupling
  • Coefficient of restitution or sticky particles
  • Point or volumetric particle sources
  • Initial particle blocks
  • Heat transfer with fluid
  • Evaporation and condensation
  • Solidification and melting
  • Coulomb and dielectric forces
  • Probe particles

Two-Phase & Two-Component Models

  • Liquid/liquid & gas/liquid interfaces
  • Variable density mixtures
  • Compressible fluid with a dispersed incompressible component
  • Drift flux with dynamic droplet size
  • Two-component, vapor/non-condensable gases
  • Phase transformations for gas-liquid & liquid-solid
  • Adiabatic bubbles
  • Bubbles with phase change
  • Continuum fluid with discrete particles
  • Scalar transport
  • Homogeneous bubbles
  • Super-cooling
  • Two-field temperature

Coupling with Other Programs

  • Geometry input from Stereolithography (STL) files – binary or ASCII
  • Direct interfaces with EnSight®, FieldView® & Tecplot® visualization software
  • Finite element solution import/export via Exodus-II file format
  • PLOT3D output
  • Neutral file output
  • Extensive customization possibilities
  • Solid Properties Materials Database

Data Processing Options

  • State-of-the-art post-processing tool, FlowSight™
  • Batch post-processing
  • Report generation
  • Automatic or custom results analysis
  • High-quality OpenGL-based graphics
  • Color or B/W vector, contour, 3D surface & particle plots
  • Moving and stationary probes
  • Visualization of non-inertial reference frame motion
  • Measurement baffles
  • Arbitrary sampling volumes
  • Force & moment output
  • Animation output
  • PostScript, JPEG & Bitmap output
  • Streamlines
  • Flow tracers

User Conveniences

  • Active simulation control (based on measurement of probes)
  • Mesh generators
  • Mesh quality checking
  • Tabular time-dependent input using external files
  • Automatic time-step control for accuracy & stability
  • Automatic convergence control
  • Mentor help to optimize efficiency
  • Units on all variables
  • Custom units
  • Component transformations
  • Moving particle sources
  • Change simulation parameters while solver runs
  • Launch and manage multiple simulations
  • Automatic simulation termination based on user-defined criteria
  • Run simulation on remote servers using remote solving
  • Copy boundary conditions to other mesh blocks

Multi-Processor Computing

  • Shared memory computers
  • Distributed memory clusters

FlowSight

  • Particle visualization
  • Velocity vector fields
  • Streamlines & pathlines
  • Iso-surfaces
  • 2D, 3D and arbitrary clips
  • Volume render
  • Probe data
  • History data
  • Vortex cores
  • Link multiple results
  • Multiple data views
  • Non-inertial reference frame
  • Spline clip

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 예측하므로써 낮은 비용으로 해결 될 수 있습니다. FLOW-3D는 특별히 주조해석의 정확성향상을 위한 다양한 설계 물리 모델들을 포함하고 있습니다.
이 모델에는 lost foam 주조, Non-newtonian 유체 및 금형의 다이싸이클링 해석에 대한 알고리즘등을 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.

FlowSight

FlowSight

FlowSight는 FLOW3DFLOW-3D CAST결과의 정교한 시각화를 제공하도록 설계된 고급 후 처리 도구입니다. FlowSight는 직관적인 후처리 인터페이스 내에서 우수한 결과 분석 기능을 갖춘 모델을 제공합니다. 스플 라인 경로를 따라 임의의 2D클립, 3D클립 및 투명도, 볼륨 렌더링, 고급 데이터 타임 시리즈 플로팅, 간소화 및 벡터 플롯은 사용 가능한 놀라운 도구의 일부에 불과합니다. FlowSight를 사용하면 여러 뷰 포트와 동적 객체 시각화 도구로 구성된 풍부한 기능 세트와 결합되어 있으므로 엔지니어는 분석 및 프레젠테이션 요구 사항에 맞게 CFD결과를 최대한 활용할 수 있습니다.

FlowSight는 모든 FLOW-3DFLOW-3D CAST라이센스에 포함되어 추가비용 없이 사용할 수 있습니다.

새로운–스플 라인 클립!

FlowSight의 스플라인 클립 기능을 사용하면 복잡한 곡면을 따라 클립을 생성할 수 있습니다. ogee weir 위로 물이 흐르는 시뮬레이션에서, 스플 라인은 ogee weir의 표면을 따라 형성됩니다. 그런 다음 스플 라인이 돌출되어 웨어 표면을 따라 물의 자유 표면 높이에 의해 색상이 지정된 클립을 생성합니다.

키 프레임 기능

크고 복잡한 시뮬레이션을 분석 할 때 매우 일반적인 문제는 관심 영역이 형상에 의해 가려지거나 시뮬레이션이 시간이 지남에 따라 변경됨에 따라 관심 영역이 변경 될 수 있다는 것입니다. 키 프레임은 분석 중에 형상을 “분리되도록”허용하고 시점이 시간과 공간을 통해 이동할 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다.

이 애니메이션은 FlowSight의 키 프레임 기능을 사용하여 충전하는 동안 다이 반쪽을 “시각적으로”열고 다이를 채우는 금속을 표시하면서 다이 표면에 고체 온도를 표시하는 방법을 보여줍니다.

Particle Visualization

FlowSight는 파티클(입자) 시각화 기능을 완벽하게 갖추고 있습니다. 입자는 입자 직경, 입자 밀도, 입자 수명, 속도 및 관련성이 있는 기타 변수에 의해 색상이 지정될 수 있습니다. 이 경우, 입자는 각각의 직경의 크기에 의해 착색됩니다.

속도 벡터 필드

FlowSight는 사용자에게 평면 또는 도메인 전체에 걸친 전체 볼륨 속도 및 방향 분석에 속도 벡터 필드를 시각화하는 옵션을 제공합니다. 사용자 지정 가능한 벡터 필드를 사용하면 다양한 색상 지정 및 밀도 조정이 가능하여 선명도를 높일 수 있습니다.

Streamlines & Pathlines

FlowSight의 유선(Streamlines) 기능은 복잡한 동적 패턴을 완전한 충실도로 시각화하여 유동장 속도 방향에 대해 실시간 스냅 샷을 제공합니다. 경로 선(Pathlines)은 시간을 따른 유체 입자의 궤적을 시뮬레이션하는 동안, 히스토리 라인은 유동장에서 유체 입자를 애니메이션 합니다.

Iso-surfaces

Iso-surfaces 은 유체 및 고체 표면을 시각화하는 강력하고 빠른 방법으로, 일정한 난류 에너지 영역을 표시하는 데 적합합니다.

Volume Render

iso-surface에서만 변수를 표시하는 대신 사용자 지정 가능한 볼륨 맵을 사용하여 볼륨 전체에 걸쳐 변수를 표시합니다. 그림에 표시된 바와 같이 각 기포와 주변 액체의 변형률 크기는 볼륨 렌더링과 함께 표시됩니다.

 

Multiple Data Views

숫자 및 다양한 그래프 등의 시각적 형식으로 분석하기

Visualizing Non-inertial Reference Frame Motion

Non-inertial reference frame visualization는 편리한 시뮬레이션 설정을 제공하고 계산 시간을 단축하며 사용자가 사실적인 방식으로 모델을 시각화 할 수 있게합니다.

2D Clips

2D 클립은 모든 단면 평면에서 유체 매개 변수를 시각화하는 데 사용됩니다.

3D Clipping

3D 클리핑 도구를 사용하면 사용자가 6 개 방향 모두에서 등면을 동시에 슬라이스 할 수 있으며, 높은 결함 영역을 감지하고 유체 및 고체 영역 내부의 온도, 압력, 속도 프로파일을 시각화하는 데 유용합니다.

  • 특정 방향의 범위 사이에 애니메이션 제공
  • 한 번에 한 방향으로 스왑
  • 양방향 애니메이션 : 앞으로 및 뒤로

Arbitrary Clips

평면, 원통형, 상자, 원뿔형, 구형 및 간소화된 표면에 대한 시각화를 포함하여 광범위한 유연성으로 표면 뷰를 분석할 수 있습니다. 유체 흐름이 평면이 아닌 표면에 대한 시각화가 필요한 경우 유용합니다. 임의 클립을 사용하면 연속적으로 여러 클립을 만들 수도 있습니다.

Probe Data

포인트 프로브는 시간에 따른 변수의 진화를 보여주고, 라인 프로브는 거리에 따른 변수 값의 변화를 반환합니다. 오른쪽, 프로브는 유체의 응고 비율을 보여줍니다.

Vortex Cores

와류 코어 식별에 사용할 수있는 두 가지 옵션인 와류 및 고유 분석을 통해 코어 강도에 따라 필터링 가능한 결과 생성이 가능합니다.

엔지니어들은 연구를 위해 다양한 시각화 방법을 사용합니다. 유체 흐름에서 와류 코어의 분석은 중요한 문제로, 와류 코어는 속도 필드 내에 와류 구조 (중앙 트레이스)를 나타내는 선 입니다. 기술적으로, FlowSight는 와류 방법 및 고유치 분석에서 속도 벡터와 소용돌이 벡터의 속도장에서의 식별위치는 평행합니다. FlowSight는 사용자에게 와류 코어 식별을 위한 두 가지 옵션을 제공합니다. 코어는 특정 강도 이상 또는 이하로 FlowSight에서 필터링 될 수 있습니다. 코어는 일반적으로 코어 주위에 회전 또는 단순히 순환 강도의 비율에 의해 채색됩니다. 아래의 예에서는, 와류 코어 고유치 값 분석을 이용하여 생성됩니다. 강한 코어는 소용돌이의 중심에 형성되어있는 것을 알 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 펌프로 공기 흡입의 가능성을 연구 할 수 있습니다. 코어가 너무 강한 경우, 공기는 강한 와류로 인해 야기되는 열린 통로로부터 흡입될 수 있습니다.

History Data

그래프 도구는 일반적인 히스토리, 진단 및 메시 종속 데이터에 강력한 수준의 분석을 제공하여 서로 다른 시뮬레이션 데이터를 상대적으로 보여줍니다.

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산업 분야별 해석 사례

FLOW-3D 를 이용한 각각의 산업분야 적용 가능성을 살펴보십시오.
경험이 풍부한 당사 FLOW-3D  Engineer가 귀하의 궁금하신 사항에 대해 언제든지 답변해 드립니다.

주조분야
  • Gravity Pour 중력 주조
  • High Pressure Die Casting 고압 다이캐스팅
  • Tilt Casting 경동 주조
  • Centrifugal Casting 원심 주조
  • Investment Casting 정밀 주조
  • Vacuum Casting 진공 주조
  • Continuous Casting 연속 주조
  • Lost Foam Casting 소실 모형 주조
  • Fill and Defects Tracking 용탕 주입 및 결함 추적
  • Solidification and Shrinkage 응고 및 수축 해석
  • Thermal Stress Evolution and Deformation 열응력 및 변형 해석
물 및 환경 응용 분야
  • Wastewater Treatment and Recovery 폐수 처리 및 복구
  • Pump Stations 펌프장
  • Dams, Weirs, Spillways 댐, 위어, 여수로
  • River Hydraulics 강 유역
  • Inundation & Flooding 침수 및 범람
  • Open Channel Flow 개수로 흐름
  • Sediment and Scour 퇴적 및 세굴(쇄굴)
  • Plumes, Hydraulic Zones of Influence 기둥, 수리 영향 구역
  • Coastal and Critical Infrastructure Wave Run-Up 연안 및 핵심 인프라 웨이브 런업

에너지 분야
  • Fuel/cargo sloshing in oceangoing containers 해양 컨테이너 용 연료 /화물 슬로싱
  • Offshore platform wave effects 근해 플랫폼 파 영향
  • Separation devices undergoing 6 DOF motion 6 자유도 운동을하는 분리 장치
  • Wave energy converters 파동 에너지 변환기
미세유체
  • Continuous-Flow 연속 흐름
  • Droplet, Digital 물방울, 디지털
  • Molecular Biology 분자 생물학
  • Opto-Microfluidics 광 마이크로 유체
  • Cell Behavior 세포 행동
  • Fuel Cells 연료 전지들
용접 제조
  • Laser Welding 레이저 용접
  • Laser Metal Deposition 레이저 금속 증착
  • Additive Manufacturing 첨가제 제조
  • Multi-Layer Build 다중 레이어 빌드
  • Polymer 3D Printing 폴리머 3D 프린팅
코팅 분야
  • Curtain Coating 커튼 코팅
  • Dip Coating 딥 코팅
  • Gravure Printing 그라비아 코팅
  • Roll Coating 롤 코팅
  • Slide Coating 슬라이드 코팅
  • Slot Coating 슬롯 코팅
  • Contact Insights 접촉면 분석
연안 / 해양분야
  • Breakwater Structures 방파제 구조물
  • Offshore Structures 항만 연안 구조물
  • Ship Hydrodynamics 선박 유체 역학
  • Sloshing & Slamming 슬로싱 & 슬래 밍
  • Tsunamis 쓰나미 해석
생명공학 분야
  • Active Mixing 액티브 믹싱
  • Chemical Reactions 화학 반응
  • Dissolution 용해
  • Drug Delivery 약물 전달
  • Drug Particles 마약 입자
  • Microdispensers 마이크로 디스펜서
  • Passive Mixing 패시브 믹싱
  • Piezo Driven Pumps 피에조 구동 펌프
자동차 분야
  • Fuel Tanks 연료 탱크
  • Early Fuel Shut-Off 초기 연료 차단
  • Gear Interaction 기어 상호 작용
  • Filters 필터
  • Degas Bottles 병의 가스제거
우주 항공 분야
  • Sloshing Dynamics 슬로싱 동역학
  • Electric Charge Distribution 전기 충전 배분
  • PMDs PMD