presentación software simulación fundición - flow-3d cast
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Presentación generaldel simulador de procesos de
fundición FLOW-3D® / FLOW-3D Cast®
Diciembre de 2014
Indice de contenidos
• Flow Science Inc y Simulaciones y Proyectos SL
• ¿Qué es FLOW-3D ®?. Ventajas competitivas
• Principios generales de funcionamiento de FLOW-3D ®
• Capacidades de modelado específicas para Fundición
• Listado de usuarios de FLOW-3D ®
Flow Science IncEmpresa desarrolladora del software
• Multinacional fundada en 1980. Originada en el
Laboratorio Nacional de Los Alamos (EEUU)
• Primera licencia comercial de FLOW-3D lanzada
en 1985
• Desarrolla y comercializa FLOW-3D así como los
productos asociados: FLOW-3D Cast / FLOW-3D
MP
• Ofrece servicios de HPC (High Performance
Computing) a distancia.
Vista de Los Alamos National Labs
Headquarters en Santa Fe, NM, USA
Flow Science IncEmpresa desarrolladora del software
USA*
Australia
Canada
China
Finland
Germany
Greece
India
Italy
Japan
Korea
Malaysia
Norway
Poland
Russia
Singapore
Spain
Taiwan
Thailand
Turkey
* Oficinas de Flow Science
Simulaciones y Proyectos, SLEmpresa distribuidora del software
• Fundada en 2006
• Oficinas en Bilbao – Madrid – Bogotá
• Asociado de Flow Science Inc en España desde 2007
• Distribuye en exclusiva los productos de Flow Science Inc (FLOW-3D® /
FLOW-3D Cast® / FLOW-3D MP ®) en España, Portugal y Suramérica
FLOW-3D® / FLOW-3D Cast®Ventajas competitivas
• FLOW-3D ® es un software CFD de propósito general válido para
cualquier tipo de fluido y régimen.
• Líder mundial en simulación de fluidos en Superficie Libre
• Empleado por Universidades, Centros de investigación y
departamentos de ingeniería e I+D.
• FLOW-3D ® incluye en su interfaz GUI todas las opciones necesarias
para simular Procesos de Fundición de forma completa.
• FLOW-3D ®Cast es un interfaz específico para fundición de fácil
manejo con toda la potencia de cálculo de FLOW-3D ®.
FLOW-3D® / FLOW-3D Cast®Ventajas competitivas
• Funcionamiento en red (sin coste adicional)
• Con 1 licencia de solver se dispone de 999 licencias de pre y post.
• Opción de realizar cálculos en remoto (sin coste adicional)
• Opción de leer la licencia en remoto (sin coste adicional)
• Versión SMP Shared Memory Protocol (sin coste adicional). Se usan
todos los procesadores disponibles del ordenador para el cálculo.
• Fácilmente customizable por el usuario en FORTRAN
• Postprocesador FlowSight ® (sin coste adicional)
FLOW-3D® / FLOW-3D Cast®Ventajas competitivas – Postprocesador FlowSight ®
FlowSight® = EnSight® + FLOW-3D ®
Principios generales de funcionamiento
• Método de Diferencias Finitas- Staggered Finite Difference Method
• Numéricamente muy estable y fácil de implementar
• Robusto, preciso y facilmente customizable
x
y
Centro de celda:• Presiones• Temperaturas• Escalares• Fuerzas
Caras de celda• Velocidades• Esfuerzos
Principios generales de funcionamientoGeometría
• La pieza / molde y demás elementos de la fundición se importan en formato
STL (Stereolithografía)
• El software puede reparar o descartar fallos posibles el STL sin fallar.
FLOW-3D Cast®CAD 3D (SpaceClaim…)
Principios generales de funcionamientoMallado (1 de 3)
• El mallado es estructurado (celdas cúbicas o paralelepipédidas) - Facilidad
• Tipos de mallado
Bloques enlazados
Se malla unicamente las zonas de interés
Principios generales de funcionamientoMallado (2 de 3)
Bloques anidados
Bloques de malla más finos, dentro de bloques más gruesos.
Mejora la resolución de flujo en zonascríticas
• Tipos de mallado
Principios generales de funcionamientoMallado (3 de 3)
• Tipos de malladoMalla conformada
Malla conformada al sólido para refinado local.
Se reduce en gran medida el númerode celdas total – Rapidez de cálculo
Se realiza automáticamente - Sencillez
Principios generales de funcionamientoInterpretación de la geometría
• Se interpreta la geometría dentro de la malla establecida – Free Meshing
• Auto-Checking de la calidad de la malla
FLOW-3D chequea de forma automática la calidad de la malla
FAVOR TM
Principios generales de funcionamientoLa superficie libre
• Que es Superficie Libre?
– Donde existe interfase Liquido/Gas.
– Donde los gradientes de presión
en un gas son pequeños.
– Donde el ratio de densidad entre fluidos es grande.
• Si no se reproduce fielmente la superficie libre en el software de fundición,
el resto de resultados PUEDEN NO SER FIABLES.
Principios generales de funcionamientoMétodos VOF / TruVOF ®
• Método VOF (Volume Of Fluid)
– Desarrollado originalmente por Anthony Hirt
(fundador de Flow Science Inc
– Se resuelven las ecuaciones de ambos fluidos
– Costoso en cálculo y dispersión de la lámina libre.
• Método TruVOF ®
– Desarrollado por Flow Science Inc
– Resuelve sólo las ecuaciones del fluido más denso.
– Lámina libre perfectamente definida y nítida
– Mucha precisión y no es costoso en cálculo
Fluid
Void
La distribución de la función VOFdetermina la orientación de la interfase
Procesos simulados
• Fundición por gravedad
• Fundido a alta presión (HPDC)
• Fundido a baja presión
• Vertido por inclinación
• Fundición a presión (squeeze casting)
• Fundición en continuo
• Fundición por centrifugado
• Fundición a la cera perdida
• Semisolid casting (Thixocasting – Rheocasting)
Vertido por gravedad Cera perdidaVertido por inclinacion
Centrifugado Semi-solido
Alta Presión HPDC
Capacidades de modelado en fundiciónPor proceso
Capacidades de modelado en fundiciónPor proceso
Llenado
– Ciclado térmico previo del molde
– Duración del llenado
– Aire atrapado
– Defectos superficiales: óxidos, restos de cera.
– Potencial de cavitación (Erosión del molde)
– Últimos puntos de llenado para posicionado
de venteos (“back pressure”)
– Solidificación durante el llenado
Solidificación
– Rechupes superficiales
– Rechupes internos
– Microporosidad
– Segregación durante la solidificación
– Estrés térmico y deformaciones
– Convección natural (movimiento del
metal durante la solidificación por
diferencia de densidades)
Capacidades de modelado en fundiciónGenerales
Materiales y Setup
• Materiales dependientes de T
• Materiales en estado semi-sólido
• Enfriadores, calentadores.
• Canales de refrigeración
Simulación de elementos móviles
• Acoplamiento completo fluido-estructura
• Cucharas, pistón, etc…
Estrés térmico y deformaciones
• Mallador y Solver interno FEA
• Exportar resultados a paquetes externos
• Posibilidad de importar mallas externas
Simulación de machos de arena
• Formación de machos por soplado
• Simulación del secado de los machos
• Generación de gas en los machos por
descomposición de los aglomerantes.
Capacidades de modelado en fundiciónEspecíficas HPDC
FLOW-3D ® es hoy por hoy el mejor software para simulación de procesos de Alta Presión por:
• Excelente precisión en el llenado
• Simulación de efectos “Back Pressure”
• Ciclado térmico del molde
• Optimización del proceso de inyección
• Erosión en el molde
• Entrada de aire
Courtesy of Buhler
Ciclado térmico
Optimización de la inyecciónErosión en el molde
Capacidades de modelado en fundiciónDefectos superficiales
FLOW-3D ® captura los defectos en forma
de defectos superficiales debido a la
oxidación, residuo de espuma y entrada de
aire.
Una correcta predicción del llenado,
permite un perfecto seguimiento de la
posición final de estos defectos.
Se muestra un bloque de motor en el cual los residuos de la
espuma permanecen atrapados en el interior de la pieza.
Cortesía GM Powertrain
Capacidades de modelado en fundiciónDefectos de entrada de aire
FLOW-3D ® debido a su excelente
predicción del llenado permite realizar un
seguimiento del aire atrapado que pueden
conllevar microporosidades y falta de
densidad en el metal de la pieza.
Capacidades de modelado en fundiciónCanales de enfriamiento
En FLOW-3D ® podemos introducir
gráficamente los canales de refrigeración
y tener en cuenta este efecto en el ciclado
térmico del molde y solidificación.
Capacidades de modelado en fundiciónRechupe y microporosidad
FLOW-3D ® modela el rechupe causado
por cambios volumétricos en la
solidificación que hace que el metal líquido
reemplace el volumen contraído y la
microporosidad.
Albany-Chicago Co. empleó el modelo de microporosidad
exitosamente para reducir los problemas de microporosidad.
Las simulaciones mostradas fueron realizadas para la misma
pieza con diferentes moldes. FLOW-3D predijo de forma precisa
tanto la localización y la cantidad de microporosidad en ambas
piezas.
Capacidades de modelado en fundiciónStress térmico y deformaciones
Durante la solidificación del metal fundido,
se generan tensiones debidas a
contracciones no satisfechas e
irregularidades de forma. Este modelo
permite a los ingenieros predecir dichos
estreses.
Los ejemplos mostrados son relativos a una simulación de
un motor V-6. La primera imagen colorea la magnitud del
desplazamiento. La segunda imagen es un corte de la misma
pieza mostrando estreses de Von Misses.
Se pueden importar mallas de
malladores externos para un óptimo
análisis. Los resultados también pueden
exportarse.
No se requieren ´módulos adicionales
en FLOW-3D para realizar un análisis de
stress térmicos y deformaciones
Capacidades de modelado en fundiciónSimulación de partes en movimiento
FLOW-3D ® tiene la capacidad de
modelización de sólidos en movimiento
con hasta 6 grados de libertad.
• Total acomplamiento Fluido-Estructura
• Simulación de cucharas, pistones, etc
Image courtesy of General Motors Powertrain. Imagen cortesía de PSA GroupImagen cortesía de PSA Group
Capacidades de modelado en fundiciónSimulación de machos de arena
Los machos de arene se realizan mediante disparo de
arena en un molde. Debe evacuarse el aire y la arena
debe alcanzar una densidad de compactación requerida
El modelo de soplado de arena de FLOW-3D ® describe
la mezcla de aire-arena con la aproximación de 1 fluido,
2 fases. El modelo incluye:
Variaciones de la densidad de la mezcla debido a gradientes de presión.
Viscosidad no-Newtoniana como función del esfuerzocortante
Grado de compactación de la arena
Burbuja adiabática y venteos para regiones con aire puro
sand settling, jamming and packing
2D test with asymmetric vent placement,color is air/sand mixture density
Data from Lefebvre et al, 2004
Core Filling
Color – velocity magnitude
Air vents
Capacidades de modelado en fundiciónSimulación de machos de arena (core gas)
El modelo de secado de arena de
FLOW-3D ® permite conocer la
evolución de la humedad remanente
en la arena del molde.
Ejemplo cortesía de BMW
Capacidades de modelado en fundiciónSimulación de machos de arena (secado)
Los machos de arena, durante el vertido del metal y posterior solidificación pueden degradar los aglutinantes de la arena, generar gas y migrar a la pieza.
FLOW-3D permite a los fundidores monitorizar la degradación de los aglutinantes en los machos y optimizar las estrategias de venteo de los mismos. El modelo Core Gas predice las presiones del gas dentro del macho, localizaciones de la superficie del gas migrado al metal y campos de flujo del gas.
Evolution of the binder degradation zone. A small 2 x 1.12 inches in diameter PUCB bound core is held in an insulated steel holder and immersed in iron.
Calibration data for PUCB binder and fit with the FLOW-3D core gas model. The real data can be captured to allow simulations of PUCB degradation in more complex geometries and under different immersion/flow conditions.
Capacidades de modeladoSolidificación en fundición
Modela la reacción eutectica en la que se forman las 3 fases:
• Austenitica (o fase Gamma)
• Carbide (o Cementita, Fe3C)
• Grafito, (C)
Factores que afectan el enfriamiento:• Contenido de Carbono inicial (C) y Silicio (Si)
• Velocidad de enfriamiento.
• Coeficiente empírico: 0 ≤ Xeut ≤ 1
“Chill”, or carbidic, zone of white iron forms in the region with a high freezing rate
12 mm
ASTM chill-wedge test
Un-inoculated iron, Ceut=0.4
Inoculated iron, Ceut=0.24
3+Fe C
Capacidades de modeladoSolidificación en fundición
Red – carbideBlue - graphite
Phase distribution Influence of superheat on total volume change
Capacidades de modeladoSimulación de filtros
Simulación de Filtros
Empleados para eliminar inclusiones en el metal y también para reducir la velocidad de entrada.
Modelo Porous Media
El modelo Porous Media de FLOW-3Dincluye pérdidas de carga lineales y cuadráticas, transferencia de calor al filtro, porosidad direccional y efectos de capilaridad. FLOW-3D dispone de una librería de filtros preparados para su uso directo en simulación.
Simulación de un filtro de fundición. FLOW-3D puede predecir los flujos de microporosidad dentro del filtro. Image courtesy Simtech Systems.
Validaciones experimentales
FLOW-3D ® es un software extensamente validado por diferentes entidades. No en vano es empleado para multitud de aplicaciones (al margen de la fundición metálica) en exigentes campos de la Industria.
• Universidades
• Centros de Investigación
• Benchmarkings en empresas
Stage 1
Stage 2
Stage 3
