Software de simulación de
fundición
Simulaciones y Proyectos, SLwww.simulacionesyproyectos.com
Indice de contenidos
• Presentación de Flow Science Inc y Simulaciones y Proyectos SL
• ¿Qué es FLOW-3D ®?. Ventajas competitivas
• Principios generales de funcionamiento de FLOW-3D ®
– Fundamentos
– El mallado en FLOW-3D ®
– La superficie libre en FLOW-3D ®
• Capacidades de modelado generales. Modelos físicos.
• Capacidades de modelado específicas para Fundición
• Listado de usuarios de FLOW-3D ® en el sector de la fundición.
Simulaciones y Proyectos, SL.Empresa distribuidora del software Distribución y Soporte Técnico en España y Portugal de los
productos de Flow Science Inc desde el año 2006. Más de 10 años de experiencia en simulaciones de fluidos-
térmicas en general y para fundición. Ventajas competitivas
• Cercanía con el Cliente – Modelo Colaborativo.• Soporte técnico rápido y eficaz, directo.• Partner tecnológico.• Económico
Flow Science.Empresa desarrolladora del software
• Fundada en 1980, por Dr. Tony Hirt que desarrolló el método Volume of Fluid (VOF) para cálculo de superficie libre en el Laboratorio Nacional de Los Alamos
• La primera licencia commercial de FLOW-3D se lanzo en 1985
• Desarrolla y comercializa FLOW-3D, un software que calcula de forma precisa multitud de flujos en condiciones físicas diversas.
• Provee también servicios de ingeniería en el campo del CFD.
• Ofrece HPC (High Performance Computing) para aplicaciones de clientes.
Vista de Los Alamos National Labs
Headquarters en Santa Fe, NM, USA
Flow Science.Empresa 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
GENERAL• FLOW-3D ® es un software CFD de propósito general válido para
cualquier tipo de fluido y regimen.• Lider mundial en simulación de fluidos en Superficie Libre• FLOW-3D ® incluye en su interfaz GUI todas las opciones necesarias
para simular Procesos de Fundición de forma completa.
¿Que es FLOW-3D ®? -Ventajas
VENTAJAS COMPETITIVAS• Se comercializa sin módulos adicionales. “Todo incluido”• Funcionamiento en red como standard. Con 1 licencia del solver se
tienen 999 licencias de pre y post procesador.• Mientras corre el solver pueden verse resultados, preparar nuevos
modelos o visualizar resultados existentes.• Versión SMP (Shared Memory Processing) • Facilmente customizable por el usuario a través de rutinas FORTRAN.
• Método de Diferencias Finitas- Staggered Finite Difference Method• Los escalares se registran en el centro de cada celda.• Los vectores se registran en las caras de las celdas.
• Numericamente muy estable y fácil de implementar
¿Como representar una geometría compleja en una malla de elementos paralelepipédicos.?
x
y
z
Centro de celda:• Presiones• Temperaturas• Escalares• Fuerzas
Caras de celda• Velocidades • Esfuerzos
Principios generales de funcionamientoFundamentos
El mallado en un único bloque no es eficiente en estos casos
Principios generales de funcionamiento Mallas estructuradas con bloques simples
Los bloques enlazados mallanunicamente las zonas de interés
Los bloques anidados mejoran la resolución del problema en zonas específicas.
Principios generales de funcionamiento Mallas estructuradas con bloques Múltiples
• Que es Superficie Libre?– 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 funcionamiento La superficie libre
F = Fracción de Fluido• F = 0 (Aire) • F = 1 (Líquido)• F = 0 a 1 (Zona de superficie
libre)El método requiere además una
variable para identificar la superficie libre
Principios generales de funcionamiento La superficie libre – Metodo VOF
El método es:• Costoso computacionalmente porque ha de calcular la
dinámica de lo fluidos en el Aire y en el Líquido. • Existe mucha difusión entre las fases liquido-aire.• F es una variable contínua
– Es una implementación del método VOF realizada en FLOW-3D.
– Calcula el movimiento del fluido a las celdas vecinas basado en la orientación del fluido en el interior de la celda.
– No calcula la dinámica en la region vacía (void), sino que usa la presión y la velocidad como condiciones de contorno.
– Existen numerosas validaciones.– Tanto VOF como TruVOF® están
disponibles en FLOW-3D
Fluid
Void
La distribución de la función VOFdetermina la orientación de la interfase
Principios generales de funcionamiento La superficie libre – Metodo TruVOF ® de FLOW-3D
• Arrastre y erosión / deposición• Entrada de aire• Cavitación• Adhesión de pared, rugosidad
superficial• Solidificación y fundido• Stress elástico• Masa/momento/Fuentes de
Energía• Flujo laminar y turbulento• Viscosidad dependiente de
esfuerzo cortante, densidad y temperatura
• Viscosidad thixotrópica
• Tensión superficial• Efectos de termocapilaridad• Burbujas de vapor y gas• Campos eléctricos• Fenómenos dieléctricos• Electroósmosis• Partículas electrostáticas• Efectos electro-mecánicos• Calentamiento Joule• Difusión molecular y
turbulenta• Convección natural y forzada• Conducción fluido-sólido
Capacidades de modelado generalesModelos físicos
Capacidades de modelado generalesModelos físicos (cont)
• Transferencia de calor• Cambio de fase• Multifase• Medios porosos saturados e
insaturados • Secado de humedad• Core Gas (generación de gas por
desconposición de aglutinante)• Reacciones químicas• Escalares• Mecánica del sólido
Acoplamiento Fluido/solidoColisiones solido/solido Interacción de partícula
Capacidades de modelado Específicas de Fundición
• Simulación de elementos móviles
Acoplamiento fluido-estructura• Modelado en moldes y
machos. Formación de machos por
soplado de arena. Secado de los machos Generación de gas en los
machos por descomposición de los aglomerantes.
• Materiales y Setup Ciclado térmico del molde Materiales dependientes de T Materiales en estado semi-sólido Enfriadores, calentadores.
• Estress térmico y deformaciones
Solver interno FEM
• Llenado: Duración del llenado Entrada de aire Defectos superficiales:
óxidos, restos de cera. Potencial de cavitación Venteos y “back pressure”
• Solidificación: Duración del llenado Rechupes superficiales Rechupes internos Microporosidad Segregación durante la
solidificación Estrés térmico y
deformaciones Convección natural
Vertido por gravedad Molde perdido
Otros procesos de fundido:
• 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
• Fundicion a la cera - Investment Casting
• Procesado de metal semi-solido (SSM)
• Thixocasting - Rheocasting
Vertido por inclinacion
Centrifugado Semi-solido
Capacidades de modelado
Alta Presión HPDC
Preventing Casting Defects – Entrada de aire
FLOW-3D captura los defectos en forma de
defectos superficiales debido a la oxidación,
residuo de espuma y entrada de aire.
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
Rechupe 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 demicroporosidad
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. Work and images courtesy of Albany-Chicago Co.
Capacidades de modelado
Aivio del Estrés TérmicoDurante la solidificación del metal fundido, se generan tensiones debidas a contracciones no satisfechas e irregularidades de forma. Este modelo permite a los ingenieros aliviar 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.
Capacidades de modelado
Solidificación de FundiciónCapacidades de modelado
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 ≤ 1Factores que afectan el enfriamiento:
“Chill”, or carbidic, zone of white iron forms in the region with a high
freezing rate
12 mm
ASTM chill-wedge test ASTM chill-wedge test
Un-inoculated iron, eut=0.4
Inoculated iron, eut=0.24
3+Fe C
Solidificación de FundiciónCapacidades de modelado
Red – carbideBlue -
graphite
time
Metal volume1250 C
1400 C
1550 C
Phase distributionPhase distribution Influence of superheat on total volume changeInfluence of superheat on total volume change
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado- Core Gas
Capacidades de modelado
•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 Sand Core Blowing 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 esfuerzo cortante
Grado de compactación de la arenaBurbuja adiabática y venteos para
regiones con aire purosand settling, jamming and packing
Data from Lefebvre et al, 2004
Core Filling
Color – velocity magnitude
Air vents
FLOW-3D permite simular el contenido de humedad residual del macho de arena.
Gracias al Moisture Model se pueden predecir defectos en el tiempo de secado
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado - Core Gas
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de BMW
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.
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado - Core Gas
Capacidades de modelado
FLOW-3D tiene la capacidad de modelización de sólidos en movimiento con hasta 6 grados de libertad. Esto permite al usuario simular cucharas vertiendo o pistones en movimiento.
Image courtesy of General Motors Powertrain.
Capacidades de modelado
Se muestra aquí un motor 3.6L V6 empleado en el Cadillac CTS y el Saturn Aura XR. Se trata de
una fundición con aleación A319 usando un proceso de molde semipermanente. Se
emplaron los modelos Defectos Superficiales y Entrada de Aire para optimizar el diseño del vaso
y la cuchara.
Simulación de Partes en movimiento
Ejemplo cortesía de PSA Group
Experimental results :
Area of air entrainment
Simulation results :
- Position of thermocouples- Position of metal detector
Simulación de Partes en movimientoCapacidades de modelado
Filling
Cooling in the mold
Low rate of flowHigh rate of flow
Cooling by air « extraction of shell mold »
Time (s)
t0 t1 t2 t3 t4
Simulación de Partes en movimientoCapacidades de modelado
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado Temperatura del molde después del ciclado :
Temperatura del molde antes del ciclado :
Sección :
Molde (T1)
Macho de arenaPieza
Macho de arena (T2)Pieza(T3)
Ejemplo cortesía de PSA Group
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de PSA Group
Results simulation with casting pit :
w1
w2
Time (s)
Angular velocity(rad/s)
12 15
Results simulation without casting pit :
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de PSA Group
Thermocouple 16
Thermocouple 6
B-B
Thermocouple 1
A-AF-F
-- Initial simulation -- New HTC simulation -- Test 1-- Test 2
Simulación de FiltrosEmpleados para eliminar inclusiones en el metal y también para reducir la velocidad de entrada.
Modelo Porous MediaEl modelo Porous Media de FLOW-3D’s incluye pérdidas de carga lineales y cuadráticas, transferencia de calor al filtro, porosidad dirccional y efectos de capilaridad. FLOW-3D's 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.
Capacidades de modelado
A la izquierda se muestran una radiografía de la fundición en donde el área oscura es el aluminio entrando en la cavidad.
Stage 1
Stage 2
Stage 3
Validaciones