Ansys鋳造温度場数値シミュレーションによる工程最適化と欠陥予測の全解析

鋳造プロセスは、液状金属が鋳型腔を充填するプロセスです。本稿では、液状金属が鋳型腔を流れ、冷却するプロセスは含まれておらず、液体流動プロセスは考慮せず、金属液が完全に充填された後の冷却プロセスをシミュレートします。このプロセスには、鋳造品の品質に重要な影響を与える多くの物理的プロセスと現象が含まれています。長年の生産実践において、このプロセスを十分に検討するデータが不足し、冷却凝固プロセス全体に関する確かなデータがなかったため、設計者の経験と現場試験に依存するしかなく、鋳造業界の発展を阻害してきました。鋳造プロセスをシミュレーションできれば、鋳造プロセスの最適化、鋳造品の品質と各種欠陥の予測・制御、生産効率の向上に非常に重要です。凝固過程の温度場数値シミュレーションは以下の目的を実現できます：鋳込み型充填のタイミング図の提供、凝固過程の可視化、縮孔や縮松などのマクロ欠陥の予測、鋳造応力や微細組織の予測のための基礎データ提供、凝固条件の制御による鋳造工程の最適化、工程準備の誤り率の低減、試作期間の短縮、試作コストの削減。したがって、鋳造モデルの温度場のシミュレーションは極めて必要かつ重要な意味を持ちます。

鋳造過程の温度場のシミュレーションは主に熱伝導の問題に依存します。この過程は、液状鋳造品の冷却凝固過程と鋳型の温度が徐々に上昇する過程であり、この過程は熱伝導です。したがって、温度場のシミュレーションでは主に熱伝導理論を把握する必要があります。具体的な問題には具体的な対応が必要であり、熱伝導問題では対流放熱係数の選択、つまり境界条件を考慮する必要があります。境界条件は3種類に分類されます:

第一類境界条件——温度境界条件：物体と外部環境の接触境界の温度が既知である。この境界条件はディリクレ問題と呼ばれる。

第二類境界条件——熱伝導境界条件：物体の境界における法線方向の比熱流量が既知である。この境界条件はニュマン問題と呼ばれる。

第三の境界条件——熱交換境界条件：境界上で物体と外部媒体の熱交換状況が既知である場合です。境界外の周囲媒体の温度をTとし、媒体と物体間の熱交換係数をα、物体の熱伝導係数をλとすると、境界上の熱交換条件は次のように表されます：

この種の境界問題はラウピン問題と呼ばれます。高温部品の加熱境界は主に第3類境界条件に該当します。したがって、今回の鋳造過程の温度場の数値シミュレーションで適用される境界条件は第3類境界条件です。

以下、今回のシミュレーションプロセスおよび分析プロセスを詳細に説明します。主にAnsysでの分析に基づいています。