O documento descreve uma simulação numérica das fases de enchimento e cura no processo de Reaction Injection Moulding (RIM) usando o software CFX. O objetivo é avaliar o potencial do CFX para simular os processos simultâneos de enchimento e cura em RIM. O documento discute os modelos homogêneo e não-homogêneo para a simulação do enchimento e identifica limitações do modelo homogêneo.
1. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Mestrado em Engenharia Mecânica 06 de Junho de 2007
Numerical Simulation of the Filling and Curing
Stages in Reaction Injection Moulding, using CFX
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e
Cura em Reaction Injection Moulding, usando o CFX
Rui Igreja
Y [mm]
1.6
1.2
0. 6
0. 7
0. 8 oint)
el p
0.5
0.8 (g
0.85
0.4
0.9
0. 3
0.96
0.2
0.4
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
X [m]
2. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
CFX
Introdução
3. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
Introdução
CFX
MATERIAIS POLIMÉRICOS SINTÉTICOS
Termoplásticos Termo endurecíveis
As longas moléculas não estão Inicialmente constituídos por pequenas
quimicamente ligadas: moléculas.
Podem ser conformados e Através de aquecimento ou misturados
reconformados repetidamente. com reagentes, sofrem uma reacção
química irreversível causando a
ligação das moléculas e a formação de
uma estrutura rígida tridimensional.
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Introdução
CFX
Reaction Injection Moulding
(RIM)
A mistura é injectada
Isocianato para dentro do molde
Flúem para uma
câmara de mistura
Dois componentes
líquidos, normalmente Câmara de mistura Molde
Isocianato e Poliol
Os componentes são
intensamente misturados
Onde se dá o processo
de polimerização, ou cura
Poliol
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CFX
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CFX
RIM - VANTAGENS:
Baixa viscosidade (0.1 – 1 Pa∙s):
• Produção de peças grandes e complexas, com insertos.
• Baixas pressões são suficientes:
− Prensas baratas.
− Moldes pouco resistentes e baixo custo:
• Opção de uso de reforços:
− Structural Reaction Injection Moulding (SRIM).
− Reinforced Reaction Injection Moulding (RRIM).
Baixas temperaturas: baixos requisitos energéticos.
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CFX
RIM - DESVANTAGENS:
Baixa viscosidade:
• Dificuldade em selar os moldes.
• A resina adere às superfícies do molde:
• Se o enchimento for muito rápido, podem formar-se bolhas
(principal causa de sucata).
Baixa pressão:
• Dificuldade em remover bolsas de ar de esquinas e de atrás
de insertos → Importância da localização das saídas de ar (vents).
Cura:
• Se o enchimento for lento pode dar origem a short shot.
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Introdução
CFX
SIMULAÇÕES DE MOLDAÇÃO POR INJECÇÃO
Começaram nos anos 70:
• Enchimento de geometrias simples (tubulares, circulares e rectangulares):
abordagem − Escoamento: unidireccional.
1½D − Temperatura: bidimensional.
O grande avanço surgiu, no início dos anos 80, com a abordagem 2½D:
• O campo de pressões: 2D, através de FEM.
• Os campos de velocidades e temperatura: 3D, através de FDM.
Simulações completas 3D surgiram mais recentemente:
• Grande esforço computacional.
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Introdução
CFX
ABORDAGEM 2½D HELE-SHAW
Continua a ser a abordagem standard em simulações de moldação por injecção
Moldação por injecção:
Espessura muito menor que as outras dimensões.
Baixo Re
Alta viscosidade (não totalmente válido para RIM) .
O efeito de inércia é desprezado.
A componente da velocidade na direcção da espessura do
molde é considerada nula.
O gradiente de velocidades na direcção da espessura é
muito maior que nas outras direcções.
A condução de calor na direcção da espessura é muito
maior que nas outras direcções.
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Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
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CFX
ABORDAGEM 2½D HELE-SHAW
As equações de continuidade e quant. de movimento são simplificadas e combinadas
numa única equação tipo Poisson, em termos de pressão, p, e fluidez (fluidity), S:
∂ h ∂ ∂p ∂ ∂p
∫0 ρ dz ÷ − S × ÷− S × ÷= 0 (Resolvida através de FEM)
∂t ∂x ∂x ∂y ∂y
h z2
S = ∫ ρ × dz
0 µ
Equação de energia simplificada:
∂T ∂T ∂T ∂ ∂T (Resolvida através
ρ ×Cp × + u × + v × ÷= k × ÷+ µ ×γ 2 + Q R
& &
de FDM)
∂t ∂x ∂ y ∂z ∂z
∂p h z ∂p h z
∂ x ∫z µ ∂ y ∫z µ
u=− × dz v=− × dz
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CFX
ABORDAGEM 2½D HELE-SHAW
O espaço em memória necessário e o tempo de computação
são consideravelmente reduzidos comparando com simulações 3D.
Limitações:
A inércia e os efeitos 3D podem ser suficientemente
significativos para influenciar o escoamento:
Peças complexas e espessas.
Em situações de separação do escoamento.
Onde a espessura mude abruptamente.
Em regiões em redor de bossas, nervuras e esquinas.
Junto da frente de enchimento: fountain flow (importante em RIM).
Em RIM, devido à baixa viscosidade, a inércia e a força gravítica não
devem ser omitidos.
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CFX
MOTIVAÇÕES:
Uma abordagem 3D será muito mais valiosa que uma 2½D.
Em RIM: Baixa viscosidade; geometrias complexas; presença de insertos;
importância de determinar com precisão o escoamento na frente de
enchimento.
Extremamente pouco foi já feito relativamente a simulações de
moldação por injecção recorrendo a softwares comercias de CFD.
Apesar das simulações 3D ainda serem notórias pelo excessivo
esforço computacional, prevê-se que aumentem no futuro próximo.
Softwares comerciais de CFD são mais baratos que softwares
especializados de injecção de moldes, e mais versáteis que estes.
Melhor conhecimento do processo RIM.
13. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
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CFX
OBJECTIVOS:
Avaliar o potencial do software comercial de CFD, CFX-5
(ANSYS CFX), para simular os processos simultâneos de
enchimento e cura presentes no processo RIM.
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CFX
Simulação do processo
de enchimento
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CFX
Quando as fases estão completamente estratificadas e a interface é
bem definida → Ambas as fases têm um único campo de velocidades
Modelo Homogéneo ( Homogeneous Model )
Conservação da massa total:
As 3 componentes da equação de quantidade de movimento:
Conservação da massa da fase α:
6 Equações e 6 incógnitas:
As duas fases preenchem o volume disponível: p, U (u, v, w), rα e rβ
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CFX
O CFX é baseado no Método dos Volume Finitos (FVM), e cada
nó da malha está no centro de um volume de controlo finito
As equações são integradas para todos os volumes de controlo, e os integrais de
volume transformados em integrais de superfície (Teorema de Divergência de Gauss):
Os integrais de superfície são transformados num somatório de
integrais ao longo de cada face do volume finito:
Os integrais de cada face são discretamente representados nos
pontos de integração:
17. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Caso de estudo:
Enchimento entre 2 placas paralelas com uma resina com
densidade e viscosidade constantes
18. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
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CFX
t = 0.35 s
A interface não toca nas paredes:
Existe uma “camada de ar” entre a resina e as paredes.
→ Perfil de velocidades errado
→ Erros nos termos advectivos nas equações da energia e de cura.
→ Menor contribuição viscosa para a pressão.
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CFX
2ª Lei de Newton na direcção x:
20. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
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CFX
Erros:
PCFX – PCFX(grav)
malha1 malha2 malha3 malha4
- 35.4 % - 33.3 % - 32.4 % - 30.4 %
21. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Este comportamento já foi mencionado por alguns autores:
A condição de fronteira de não escorregamento nas paredes
(fisicamente correcta) imposta ao ar impede a frente de
enchimento de tocar nas paredes.
Ela deverá ser imposta apenas na parte já cheia da molde.
O CFX não permite condições de fronteira condicionais:
→ Modelo não Homogéneo (Inhomogenous Model):
Cada fase tem o seu próprio campo de velocidades.
Elas interagem através de termos de transferência interfásicos.
22. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Modelo não Homogéneo:
Conservação da massa da fase α: Conservação da massa da fase β:
As 3 componentes da equação de quantidade As 3 componentes da equação de quantidade
de movimento da fase α: de movimento da fase β:
Transferência interfásica de quantidade de movimento
As duas fases preenchem o
volume disponível: 9 Equações e 9 incógnitas:
p, Uα (uα, vα, w α), Uβ (uβ, vβ, wβ), rα e rβ
23. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
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CFX
Coeficiente de arrasto adimensional
uuuuu
r uuu uuur uuu uuur
r r
M αβ = CD ×ραβ ×A αβ × Uβ − U α × Uβ − U α ( )
Massa volúmica da mistura: Área interfacial por unidade de volume:
ραβ = ρα ×rα + ρβ ×rβ rα ×rβ
A αβ =
d αβ
Escala de comprimento da interface
Os valores individuais de dαβ e CD não interessam,
mas sim o seu quociente
24. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Enchimento entre 2 placas paralelas com uma resina com
densidade e viscosidade constantes
Modelo não Homogéneo
0.05
Condição fronteira 0.5
de escorregamento dαβ = 1 mm CD = 5
livre para o ar (valor ‘por defeito’ do CFX) 50
500
25. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Modelo não Homogéneo:
CD = 0.05 CD = 0.5
CD = 5 CD = 50
Modelo Homogéneo:
Para CD = 0.05, 0.5 e 5 a interface toca nas paredes.
Para CD = 50 o comportamento torna-se semelhante
ao Modelo Homogéneo.
26. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Erros:
PCFX – PCFX(grav)
Modelo Homogéneo
- 33.3 %
Modelo não Homogéneo
CD = 0.05 CD = 0.5 CD = 5 CD = 50 CD = 500
- 4.1 % - 3.5 % - 4.1 % - 14.5 % - 26.1 %
27. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
CD = 0.05 CD = 0.5
CD = 0.05
CD = 5 CD = 50
28. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do processo
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o de enchimento
CFX
Dos valores analisados, CD = 5 é o mais adequado
para este processo de enchimento.
29. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
CFX
Simulação do
processo de cura
30. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o processo de cura
CFX
Polimerização ou cura da resina
Taxa de cura (C: grau de cura):
T ↑ ⇒ SC
↑
Viscosidade:
Geração de calor:
C↑ ⇒ µ T↑ ⇒ µ
↑ ↓
31. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do
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CFX
32. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do
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CFX
A equação de cura é implementada como uma equação de transporte para
uma variável escalar adicional (grau de cura, C), com um termo fonte.
Esquema transitório de 1ª ordem:
Esquema advectivo High Resolution:
0≤β≤1
Esquema transitório de 2ª ordem:
Esquema advectivo Compressivo:
0≤β≤2
33. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do
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CFX
Para um enchimento unidimensional:
U = (u, 0, 0)
34. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do
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CFX
Os resultados mais precisos foram obtidos com a combinação do esquema
transitório de 2ª ordem com o esquema advectivo High Resolution
35. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação do
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o processo de cura
CFX
Simulação das fases de
enchimento e cura em RIM
36. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Equação da energia:
∂ ( rα ×ρα ×h α ) uuur
∂t
( )
+ ∇ • rα ×ρα ×h α ×U α = ∇ • ( k α ×∇Tα ) + SEα
Fonte de calor:
37. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Casos de estudo 1 e 2:
Poliuretano
Caso 1 Caso 2
L Comprimento 0.505 0.487 [m]
W Largua 0.101 0.101 [m]
H Espessura 3.2 3.2 [mm]
Qin Caudal de entrada 33.5 27.5 [cm3/s]
Tin Temperatura à entrada 55.3 54.0 [ºC]
Tw Temperatura das
82.0 70.0 [ºC]
paredes
38. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
W >> H → 2D
Simetria → Metade da geometria modelada
Malhas:
Malha 1 Malha 2
(5 elementos na espessura) (10 elementos na espessura)
CD = 5 (Modelo Não Homogéneo)
Timestep = 4×10-4 s 10-3
Critério de convergência dos resíduos = 10-4
10-5
Durante o enchimento todas as equações são resolvidas; após o
enchimento apenas as equações de cura e energia são resolvidas.
39. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o enchimento e cura em
CFX
RIM
Tempo de computação
Caso 1 Caso 2
40. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Caso 2
Grau de cura Temperatura [ºC]
Y [mm] Y [mm]
1.6 1.6
1.2 1.2
4s
100
0. 1 0. 2 0. 3 0. 4
0.8 0.8 70 80 90
60
0.4 0.4
0 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
X [m] X [m]
Y [mm] Y [mm]
1.6 1.6
1.2 1.2
0. 85
5.7 s
0.
1 0. 2
150
0. 3 0. 4 0.
0.8 0. 0.8
14 0
5 6 70 80
130
90
120
60
0. 8
0.
11
10
7
0
0
0.4 0.4
0 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
X [m] X [m]
Y [mm] Y [mm]
1.6 1.6
80
1.2 1.2 90
10 0
7.6 s
0.6
t) 110
7
8 poin 12 0
0.
0. g el
0. 5
0.8 0.8 13 0
85 (
0. 4
0. 0. 9 14 0
0. 3
80
0. 96
0. 2
150
0.4 0.4 0
16
170
0 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
X [m] X [m]
Y [mm] Y [mm]
1.6 . 5 1.6
0 80
0. 6 0.7
90
100
1.2 0. 8 in t) 1.2 110
0. 85 (g el po
0.8
0.9 10 s0.8 13 0
120
14 0
150
0.4 0.4
8
0
0. 9
15
16 0
0 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
X [m] X [m]
41. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Final do enchimento
Grau de cura Temperatura
1.0 1.0
05
0.
0.05
0.8
=
0.8
x*
x* =
x* = 1
x* = 0
0.6
x*=1
0.6
58
0.
y* y*
=
0.58
x*
0.4 0.4
x* =
x* = 0.92
0.2 0.2
.92
0
x*=
0 0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 60 80 100 120 140 160
C T[ºC]
Caso 2
42. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Pressão
P [Pa] CFX
P [Pa] [39] Numerical
2.5E+04
1.E+05 [39] Experimental
Press(visc0)
2.0E+04 CFX
8.E+04 [39] Numerical
1.5E+04 [39] Numerical - Lengthing Reactor
6.E+04 [39] Experimental
1.0E+04
4.E+04
5.0E+03
2.E+04
0.0E+00
0.E+00 0 1 2 3 4 5
t [s]
0 1 2 3 4 5 t [s] 6
Caso 1
Caso 2
43. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
T [ºC] CFX (Mesh 1)
CFX (Mesh 2)
170
[39] Numerical
[39] Experimental
150 [72] Numerical Center
130
0.6
110 0.7
0.9
90
Tw
70
Tin
50
2 4 6 8 10 12
t [s]
Caso 1
44. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Caso 1
Caso 1 2
Caso
45. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Os resultados obtidos com o Residuals Target
igual a 10-4 são idênticos aos obtidos com 10-5.
Tempo de computação ~40 % inferior.
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CFX
RIM
Casos de estudo 3 e 4:
47. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
6320 hexaedros
Simetria → ¼ das geometrias modelado
6400 hexaedros
CD = 5
Timestep = 4×10-4 s
Residuals Target = 10-4
48. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
Tempo de computação
49. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
50. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Simulação das fases de
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CFX
RIM
51. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
CFX
Conclusões
52. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
Conclusões
CFX
O modelo Homogéneo é incapaz de modelar correctamente o
processo de enchimento.
Implementação do modelo Não Homogéneo juntamente com a
condição de livre escorregamento para o ar.
CD = 5 é o melhor valor para o enchimento estudado.
Equação de cura: equação de transporte para uma variável
adicional escalar, com um termo fonte.
Esquemas transitório de 2ª ordem e advectivo High Resolution
são os mais precisos.
As equações de movimento, cura e energia (10 equações
diferenciais) são implementadas conjuntamente.
53. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
Conclusões
CFX
Os resultados obtidos com o CFX reproduzem com
boa fidelidade outros resultados disponíveis.
Tempos de computação consideravelmente longos,
mesmo para malhas com reduzido número de elementos.
54. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica Engenharia Mecânica em 06 de JunhoMoulding, usando o
Mestrado em das Fases de Enchimento e Cura Reaction Injection de 2007
CFX
Numerical Simulation of the Filling and Curing Stages in
Reaction Injection Moulding, using CFX
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em
Reaction Injection Moulding, usando o CFX
55. Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação Numérica das Fases de Enchimento e Cura em Reaction Injection Moulding, usando o
CFX