FLOW-3D RESIN

FLOW-3D RESIN 모듈

FLOW-3D RESIN 는 FLOW Science Japan에서 개발된 열 경화성 수지 유동과 열 특성을 해석하는 모듈입니다.
열 경화성 수지 재료는 강한 접착성 구조 강도, 열 및 화학적 내구성이 뛰어나며, 반도체 장치, 발전기, 변압기, 개폐기, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차의 코일이나 다른 파트, 프린트 기판, MRI등에 사용되고 있습니다.

주요 기능:Castro-Macosko, Cross-WLF등의 점성 모델 지수 감쇠, Kamal등의 발열 모델 겔화 이후의 경화 수축 모델 수지 함침 해석용 포러스 체내 유동 모델(점성 의존 저항, 이방성 저항 등) 2-domain Tait pvT밀도식 모델 구조 해석 인터페이스 F.SAI 경유의 압력, 온도 데이터 내보내기

적용 사례

resin3 트랜스퍼 성형
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사출 성형
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실제 제품과 비교
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트랜스퍼 몰드(충전의 결과:온도[위] / 속도[하단])
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트랜스퍼 몰드(발열의 결과:온도[위]총 / 변형[하단])
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트랜스퍼 몰드(냉각의 결과:온도)
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FLOW-3D의 온도 데이터를 기반으로 수지에 매핑
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구조 해석의 결과(Von Mises stress)
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구조 해석의 결과(Total translation)
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트랜스퍼 몰드(충전 해석:온도[위] / 공기 흡입[하단])
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트랜스퍼 몰드(냉각 해석:응력[좌측]총 변형[오른쪽 위] / 온도[아래])
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트랜스퍼 몰드 반응률[시간 추이]
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트랜스퍼 몰드 응력[시간 추이]
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FLOW-3D의 온도 데이터를 기반으로 수지에 매핑
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구조 해석의 결과(변위[왼쪽] / Von Mises stress[오른쪽])

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[FLOW-3D 물리모델]Elastic and Viscoelastic Fluids / 탄성과 점탄성 유체

Elastic and Viscoelastic Fluids 탄성과 점탄성 유체

1. Elastic and Plastic Materials 탄성과 소성물질

점소성 물질은 항복응력에 도달할 때까지 탄성체 성질을 가지며, 점성 유체같이 거동하는 물질이다. FLOW-3D 에서의 증분 탄성응력 모델은Hookean모델을 따르는 탄성응력을 계산한다. 이 구성 방정식은 증분적 모델로서 실행되면서 단지 응력에 따른 선형반응을 예측하지만 유한한 변형에 대해 비선형 예측을 가능케 해준다. 또한 점성응력이 예측될 필요가 있으면 점도를 사용하는 것이 필요하다. 이 방식으로 탄성-점소성 유체(즉, Bingham 같은 물질)가 시뮬레이션될 수 있다: 지배하고 있는 응력은 지역의 변형과 변형율에 달려있다. 점성과 탄성응력 사이에 연속적인 상호작용이 있는 진정한 점탄성 유체는 Model Reference -> Viscoelastic Materials 를 참조한다.

Physics Elasto- visco-plasticity 에서 탄성응력모델을 활성화한다. Elasto-viscoplastic 모델을 선택하고 implicit 또는 explicit 솔버 를 선택한다. explicit 모델이 너무 작은 time step 크기를 필요로 하면 효과적인 계산을 위해 implicit 솔버가 사용될 수 있다.

둘 또는 둘 중의 한 유체의 전단탄성계수와 항복응력한계는 Fluids Properties Elasto- viscoplastic 물성치에서 지정된다. 항복응력을 음수(디폴트)로 지정하는 것은 항복응력이 무한대로 커서 항복이 발생하지 않는다는 것을 뜻한다. 유체의 체적탄성율은 Fluids Properties Compressibility 에서 Compressibility (압축)를 통해 지정된다: FLOW-3D 에서 compressibility 변수는 체적탄성율의 역수이다. 열탄성 효과 또한 Thermal expansion coefficient (열팽창계수)가 Include volumetric thermal expansion 의 추가와 함께 Density evaluated as a function of other quantities 가 지정되면 예측될 수 있다.

Elasto-visco-plastic 모델과 관련된 출력 값들은 6개의 독립적인 탄성 응력 텐서와 셀 중심의 비대각선 성분들을 포함한다. Von Mises stress 는 Cauchy 편향 응력 의 2차 invariant 의 제곱근이고 국부 전단응력크기의 척도이다. 압력(항상 그러하듯이)은 국부 등뱡향성 응력의 척도이다.
See also:
• Model Reference -> Viscoelastic Materials
• Flow Science Technical Note 64 on modeling incremental elastic stress can be found at http://users.flow3d.com/tech-notes/default.asp.
Elastic fluid example: Bingham Material Approximation

Bingham 물질은 유한한 항복응력을 가지므로 적용된 힘이 항복응력보다 크지 않으면 고체로써 거동한다. 일단 항복응력을 초과하면 그 때 물질은 점성유체 같이 거동한다. 종종 치약은 Bingham 물질의 예제로써 인용된다. FLOW-3D 는 유체 안에서 탄성응력을 계산하는데 사용될 수 있는 탄성 소성 응력모델을 가지고 있다. 이는 Physics Elastic stress panel 에서 활성화된다.

각 유체의 탄성계수와 항복응력 값은 Fluid 1 Elastic Properties tab 에있는 fluid properties tree 에서 정의된다. 또한 유체는 항복응력을 초과하면 점성형태로 거동하므로 유체점성이 정의되어야 한다.

계산시간을 줄이기 위해 탄성모델에 대한 implicit 솔버를 사용하는 것을 추천한다; 이의 선택은 Elastic stress panel 및Numerics 에서도 될 수가 있다. .

See also:

2. Viscoelastic Materials


점탄성 물질은 점성유체와 탄성고체의 두 가지 속성을 갖는 물질들이다. 이런 예의 물질에는 고분자 액체가 있는데, 이들의 고분자 연결고리는 급격한 전단력에 의해 서로 뒤얽혀서 마치 고체같이 거동하나 전단력이 천천히 작용하면 쉽게 서로간에 미끄러짐이 발생할 수 있고, 이들 물질의 속성은 상당히 시간에 의존한다.

FLOW-3D 에서 점탄성 물질의 거동을 예측하기 위해 두 가지의 내재된 모델이 있다. : Oldroyd-B 모델과 Giesekus 모델이다. 이들은 Physics Elasto-visco-plasticity 에서 선택된다. 사용하는 물질에 가장 맞는 모델을 선정한다. 추가로 사용자는 탄성응력의 구성방정식에 추가항들을 더하기 위해 사용자 routine elstc_custom.F 를 수정할 수 있다. 또한 Physics Elasto-visco- plasticity 에서 Custom 옵션을 선택한다.

탄성- 점소성모델에서와같이 FLOW-3D 에서의 탄성응력 증분은 한 계산 사이클에서 다음 사이클까지의 증분된 응력 사이의 선형관계에 의해 점진적으로 계산된다. 점성응력은 점성유체에서와 마찬가지로 점성모델을 사용하여 예측되며 점성을 이용하여(작동시켜)야 한다.

탄성응력의 크기가 단지 항복 한계에까지만 작용하는 단순한 물질에 대해서는 Elastoviscoplastic 모델을 사용하는 것이 적합하다. Model Reference -> Elastic and Plastic Materials를 침조한다.
implicit 또는 explicit 선택은 어떻게 탄성응력이 각 time step 마다 계산되는지를 조절한다. explicit 선택은 디폴트이며, 시간에 따른 가장 정확한 해석을 하지만 time step이 제한될 수 있다. implicit 선택은 더 큰 time step을 허용하지만 대신에 시간에 대한 정확성이 떨어지며 단위 시간당 더 큰 CPU 가 소요된다. 일반적으로 implicit 솔버를 사용할 때 그러하듯이 implicit 선택은 탄성효과가 크지만 시간에 대한 (변화)의존도가 해석에 그다지 중요하지 않을 때 사용되어야 한다.

점탄성모델이 작동하기 위해 특정 물성치가 주어져야 한다. Fluids Properties Elastoviscoplastic Properties 에서 Shear Modulus Relaxation 가 주어져야 한다. Giesekus 모델 사용시 Mobility 가 주어져야 한다. relaxation relaxation 시간을 나타내며 시간의 단위를 갖는다. relaxation시간 이 길수록 탄성응력이 완화되는 시간이 길어진다. 그러므로 순수 점성유체는 relaxation시간이0이다. MobilityGiesekus 모델의 비선형 항을 조절하는 mobility 인자를 가리킨다(디폴트값은 0). 일부 또는 모든 매개변수는 온도에 의존하며 시간의 변화에 따른 데이터는 각 물성 옆에 있는 Tabular button을 선택함으로써 주어진다. 두 유체 유동의 경우 각 관련 물성치는 유체#2에서 지정될 수 있다. 유체의 체적 탄성율은 in Fluids Properties Compressibility 에서 Compressibility entries 를 통하여 지정된다; FLOW-3D 에서 압축성 매개변수는 체적탄성율의 역수이다.

점탄성 모델과 관련된 Output 양들은 6개의 독립적인 탄성응력 텐서와 셀 중심의 비대각선 성분들을 포함한다. Von Mises stress 는 Cauchy 편향 응력 의 2차 invariant 의 제곱근이고 지엽적 전단응력크기의 척도이다. 압력(항상 그러하듯이)은 국부적 등뱡향성 응력의 척도이다.

 

See also:

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.