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We are witnessing a relentless paradigm switch in the automotive industry, where traditional combustion engines are being progressively replaced with electric counterparts. In order to compensate for heavy electric engine technology, the plastic components usage in the interior parts of electric vehicles seems to be a reasonable strategy aligned with the lightweight trend as automotive industry top priority. Extremely thin plastic components (ultra-lightweight) attached to ribs-based architectures have been identified as an adequate solution offering a good balance between lightweight and structural/vibrational response of the overall composition. Still, they may yield detrimental features regarding thermal-induced deformations (i.e., warpage and shrinkage) associated with the typical mold injection process for their manufacturing. This paper aims to make use of topology optimization (TO) to determine the precise location of the added rib architecture system for enhanced vibration response of the overall plastic component (thin original plastic part and ribs architecture). Following a constant mass criteria, the topology optimization-driven design of the additional material is replaced with a more convenient ribs-based architecture component, showing a reasonable similarity from vibration standpoint. At a postprocessing stage, the design is analyzed subjected to typical static loading cases, to verify its stiffness properties. Finally, a warpage and shrinkage analysis of the design is carried out, verifying that the final design is not adversely affected according to standard considerations.

RESUMEN Entender el comportamiento de las oscilaciones de los chorros al interior del molde de planchón delgado tipo embudo es esencial para asegurar una entrega de acero líquido constante, mejorar el control de los patrones de flujo y consecuentemente incrementar la productividad de la planta y la calidad del producto final. Para lograr esto se llevó a cabo un estudio del efecto del diseño interno de la buza sobre la fluido dinámica del molde, intentando determinar el origen de las oscilaciones de los chorros. Se hizo uso de la simulación matemática para estudiar éstos fenómenos. En la modelación matemática, se recurrió a las ecuaciones fundamentales, el modelo de turbulencia RSM y el modelo Multifásico VOF. Las ecuaciones gobernantes son discretizadas y resueltas mediante el método iterativo-segregado implícito implementado en FLUENT®. Los resultados, de la simulación matemática, muestran que aun para diseños de buza con un comportamiento operacional estable, las oscilaciones de los chorros permanecen presentes y se hacen más intensos para altas velocidades de colada e inmersiones de buza profundas. El análisis de cada una de las buzas simuladas muestra que la geometría interna origina perturbaciones en el flujo en las zonas donde las áreas transversales internas cambian, generando presiones dinámicas altas y bajas promoviendo una tendencia para que el acero líquido salga preferentemente por uno de los puertos. Se encontró un delicado balance de fuerzas, el cual, se da sobre sobre la punta de la bifurcación interna de la buza. Este balance está relacionado con las velocidades fluctuantes y la presión ferrostática. Si este balance es roto las oscilaciones son más intensas, originando variaciones permanentes de la velocidad de flujo másico de un puerto a otro. Además, se encontró que existe la formación continua de un camino de vórtices el cual se genera a partir de la separación de la capa límite en el divisor de los puertos, fenómeno que intensifica la oscilación periódica de los chorros. ABSTRACT Understanding the behavior of the oscillations of the jets into the mold of thin slab funnel is essential to ensure a constant supply of liquid steel, improve control of the flow patterns and consequently increase plant productivity and the final product quality. To achieve this, we conducted a study of the effect of the internal design of the nozzle on the fluid dynamics of the mold, trying to determine the origin of the oscillations of the jets. Use of mathematical and physical simulation was done to study these phenomena. For the mathematical modeling it resorts to the fundamental equations, the RSM turbulence model and VOF multiphase model. The governing equations are discretized and solved by iteration-segregated implicit method implemented in FLUENT®. The results of the mathematical simulation are showing that even for a nozzle designs with a stable operational performance, the oscillations of the jets remain present and become more intense for high casting speeds and deeper nozzle. The analysis of each of the simulated nozzles show that the internal geometry causes flow disturbances in areas where the internal cross-sectional areas change, generating high and low dynamic pressures and promoting a tendency for the liquid steel to exit preferably by one of the ports. A delicate balance of forces, in the order of micro-scales, was found and is given on the tip of the internal bifurcation of the nozzle. This balance is related to the fluctuating speeds and the ferrostatic pressure. If this balance is broken the oscillations are more severe, causing permanent changes in the mass flow rate from one port to another. In addition, it was found that there is continuous formation of a vortex path which is generated from the separation of the boundary layer on the splitter ports, a phenomenon that intensifies the periodic oscillation of the jets

Instituto de Investigaciones Metalúrgicas. Doctorado en Ciencias en Metalurgia y Ciencias de los Materiales Understanding the behavior of the oscillations of the jets into the mold of thin slab funnel is essential to ensure a constant supply of liquid steel, improve control of the flow patterns and consequently increase plant productivity and the final product quality. To achieve this, we conducted a study of the effect of the internal design of the nozzle on the fluid dynamics of the mold, trying to determine the origin of the oscillations of the jets. Use of mathematical and physical simulation was done to study these phenomena. For the mathematical modeling it resorts to the fundamental equations, the RSM turbulence model and VOF multiphase model. The governing equations are discretized and solved by iteration-segregated implicit method implemented in FLUENT®. For physical simulation, they were designed and built all of the components of a continuous casting machine in clear acrylic. A dye (potassium permanganate) was used to reveal the flow patterns created by the original nozzle also a vibration sensor on the thin wall of the mold was placed, this in order to measure the amount of energy dissipated over four critical points, taken from the interpretation of results of the mathematical simulation. The results of the mathematical simulation are showing that even for a nozzle designs with a stable operational performance, the oscillations of the jets remain present and become more intense for high casting speeds and deeper nozzle. The analysis of each of the simulated nozzles show that the internal geometry causes flow disturbances in areas where the internal cross-sectional areas change, generating high and low dynamic pressures and promoting a tendency for the liquid steel to exit preferably by one of the ports. Entender el comportamiento de las oscilaciones de los chorros al interior del molde de planchón delgado tipo embudo es esencial para asegurar una entrega de acero líquido constante, mejorar el control de los patrones de flujo y consecuentemente incrementar la productividad de la planta y la calidad del producto final. Para lograr esto se llevó a cabo un estudio del efecto del diseño interno de la buza sobre la fluido-dinámica del molde, intentando determinar el origen de las oscilaciones de los chorros. Se hizo uso de la simulación matemática y física para estudiar éstos fenómenos. Para la modelación matemática, se recurrió a las ecuaciones fundamentales, el modelo de turbulencia RSM y el modelo Multifásico VOF. Las ecuaciones gobernantes son discretizadas y resueltas mediante el método iterativo-segregado implícito implementado en FLUENT®. Para la simulación física, se diseñaron y construyeron todos los componentes de una máquina de colada continua en acrílico transparente. Se utilizó un colorante (permanganato de potasio), para revelar los patrones de flujo creados por la buza original, además, se colocó un sensor de vibraciones sobre la pared delgada del molde, esto con el fin de medir la cantidad de energía disipada sobre cuatro puntos críticos, tomados de la interpretación de resultados de la simulación matemática. Los resultados, de la simulación matemática, muestran que aun para diseños de buza con un comportamiento operacional estable, las oscilaciones de los chorros permanecen presentes y se hacen más intensos para altas velocidades de colada e inmersiones de buza profundas. El análisis de cada una de las buzas simuladas muestran que la geometría interna origina perturbaciones en el flujo en las zonas donde las áreas transversales internas cambian, generando presiones dinámicas altas y bajas promoviendo una tendencia para que el acero líquido salga preferentemente por uno de los puertos.