FLOW-3D aplicado a la simulación de procesos de FUNDICION METALICA

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

http://www.flow3d.com/apps/cast/app_cast_cent_1.html





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


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.


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.


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


•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


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


http://www.flow3d.com/images/imgs_res/summ_08/core_gas.avi

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.


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


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)





Results simulation with casting pit :

w1

w2

Time (s)

Angular velocity(rad/s)

12 15

Results simulation without casting pit :




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.


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

¿Más información?

[email protected]

Teléfono: (+34) 918034481

Technology

FLOW-3D aplicado a la simulación de procesos de FUNDICION METALICA