凝固・鋳造シミュレーション — トラブルシューティングガイド
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凝固・鋳造シミュレーション — トラブルシューティングガイド
トラブルシューティング
凝固シミュレーションでよくあるトラブルを教えてください。
順番に見ていこう。
1. 凝固が始まらない / 進まない
対策:
- リキダス温度 $T_L$ とソリダス温度 $T_S$ が正しく設定されているか確認
- 凝固潜熱 $L$ の値と単位系を確認
- 鋳型の境界条件（熱伝達係数、鋳型温度）が適切か確認
- Mushy zone定数が小さすぎないか確認
2. Mushy zoneでの数値振動
凝固前線付近で温度が振動します…
対策:
- タイムステップを小さくする（凝固の潜熱放出を十分に解像）
- エネルギー方程式の under-relaxation を下げる（0.7〜0.9）
- メッシュをMushy zone領域で細かくする
- Mushy zone定数 $C$ を調整（大きすぎると速度の急変で不安定化）
3. 凝固後に非物理的な流れが残る
症状: 完全固化（$f_L = 0$）した領域でまだ速度が残る。
対策:
- Mushy zone定数 $C$ を大きくする（$10^7$以上）
- $\epsilon$ の値が大きすぎないか確認（$10^{-3}$程度が標準）
- 固相の粘度が十分に高くなっているか確認
4. 充填+凝固の同時計算で発散
対策:
- 充填計算と凝固計算を分離する（まず充填、完了後に凝固）
- VOF + Solidificationの同時計算では、タイムステップを十分小さく
- 充填初期に溶湯温度を高めに設定して凝固の開始を遅らせる
5. ツール固有の注意点
| ツール | 注意点 |
|---|---|
| Fluent | Solidification/Melting ModelのPull Velocity設定（連鋳の場合のみ） |
| Flow-3D | Solidification Drag Coefficientの調整がキー |
| ProCAST | CALPHAD物性データの温度範囲がシミュレーション範囲をカバーしているか確認 |
| MAGMASOFT | メッシュ自動生成の品質確認。薄肉部の層数が不足していないか |
Coffee Break よもやま話
ショートサーキット凝固——湯廻り不良の診断とCFD
鋳造充填CFDで発生する「ショートサーキット（短絡凝固）」は、溶湯の流路が早期凝固によって閉塞し、鋳型の一部に湯が届かない現象です。CFDで見逃しやすいのは薄肉部への流動末端部で、温度降下が速すぎてシミュレーション初期から固化している場合があります。対策として初期壁温を実測値に設定し、Heat Transfer Coefficient（HTC）の感度解析を行うことが有効です。HTCは金型材料・離型剤種・接触圧力によって10〜1000 W/m^2Kの幅があり、この不確かさを±50%の範囲で変えてシミュレーションした場合の充填率変化を確認することが、設計余裕評価の実務的アプローチです。
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