Топлинни изчисления в средата T-FLEX Analysis
Павел Ануфриков, Сергей Козлов, Александър Съществуващ
Продуктите, които изискват оценка на топлинния режим, са много разнообразни, това са топлинни двигатели и различни електрически устройства, които излъчват полезна или вторична топлинна енергия, както и специализирани топлинни инсталации (пещи, хладилници и др.). По правило разработчикът е изправен пред задачата да оцени температурните режими на поведението на отделни елементи на продукта или структурата като цяло. С други думи, необходимо е да се определят температурите, които възникват в продукта под въздействието на източници на топлинна енергия, приложени към системата. Модулът за термично изчисление на T-FLEX Analysis предоставя пълен набор от инструменти за решаване на топлинното поведение на конструкции във формулировка с крайни елементи.
Стъпка 1. Създаване на „Проблем“, мрежа, задание на материал. На първия етап от крайноелементното моделиране в T-FLEX CAD се създава специален обект „Проблем“ (фиг. 1), определя се неговият тип „Термичен анализ“ и се избират телата на триизмерния модел, които ще участват в изчислението. T-FLEX Analysis поддържа работа със сглобки, така че различни части на сглобена структура могат да бъдат включени в механичен или термичен анализ. В този случай, разбира се, се вземат предвид различни физически свойства на материалите на частите и, ако е необходимо, се определят допълнителни гранични условия в зоната на контакт на твърди тела. Също така отбелязваме, че текущият работен модел на T-FLEX CAD се използва за създаване на изчислението, което може да съдържа формализирани прогнози, спецификации, траектории на CNC инструменти и друга информация за дизайна. С други думи, за да се извърши моделиране с крайни елементи на термичен или механичен проблем, няма нужда да се изгражда специално модел, тъй като можете да използвате веченаличен 3D модел, изграден на етапа на проектиране на продукта.
След създаване на задачата автоматично се извиква командата за конструиране на крайноелементна мрежа от тетраедрични елементи (фиг. 2). Тетраедрите приближават геометрията на модела и се използват за изграждане на математически модел на оригиналната структура. Когато създава мрежа, потребителят има възможност да определи различните й параметри: степен на дискретност, гладкост, локално удебеляване на мрежата и др. В случай на сложна пространствена конфигурация на продукти, мрежата с крайни елементи може значително да повлияе на качеството на получените решения. При анализа на топлопроводимостта, както и при механичните изчисления, е полезно да се извършат няколко изчисления с плавно променящи се нива на дискретизация на мрежата от крайни елементи. Ако стойностите на изчислените температури престанат да се променят забележимо при използване на по-подробна мрежа, по-нататъшното увеличаване на нивото на дискретизация изглежда нерационално.
В допълнение към мрежата с крайни елементи е необходимо да се определят параметрите на материала на продукта. По подразбиране изчислението използва характеристиките на материала „От операцията“, т.е. свойствата на материала се вземат автоматично от твърдия модел на частта на продукта. Този режим е особено удобен за използване, ако изчислението включва тела, изработени от различни материали като част от модели за сглобяване. В нашия случай при създаването на модел на радиатор беше определен материалът "Алуминий", чиито физични и химични свойства се съдържат в базата данни T-FLEX CAD.
Стъпка 2. Налагане на гранични условия. За да се реши успешно проблемът с анализа на топлопроводимостта в крайноелементна формулировка, в допълнение към създаването на мрежа от крайни елементи, е необходимо правилно да се определят топлинните натоварвания, които в този случай са гранични условия. За да настроите топлиннанатоварвания в T-FLEX Analysis е предоставен набор от специализирани команди: „Температура“, „Топлинен поток“, „Конвективен топлообмен“, „Топлинна мощност“, „Излъчване“ (фиг. 3). Нека зададем термични натоварвания за нашия модел. Ще приложим натоварването „Топлинна мощност“ към контактната повърхност на радиатора и микросхемата (фиг. 4), а върху външните топлоотвеждащи повърхности ще определим граничното условие „Конвективен топлообмен“ с температура на конвекция в зависимост от температурата на околната среда (фиг. 5). Теоретично във всеки топлинен процес има и топлообмен поради излъчване. В нашия случай обаче преносът на топлина поради взаимно и околно излъчване може да бъде пренебрегнат, тъй като ефектът му при очакваните температури (десетки градуси) е пренебрежимо малък. След изпълнение на командите за конструиране на мрежа с крайни елементи и задаване на топлинни натоварвания, получаваме готов за изчисление модел с крайни елементи (фиг. 6).
Стъпка 3. Извършване на изчислението и анализ на резултатите. След конструирането на мрежата от крайни елементи и налагането на гранични условия, можете да преминете директно към решаването на задачата за оценка на ефективността на охладителната система. Преди да изчислим температурите (фиг. 7), нека се спрем на следното обстоятелство в T-FLEX анализа, проблемът с топлопроводимостта има две възможни формулировки:
•стационарна топлопроводимост Извършва се изчисляване на стационарни ("стационарни") температурни полета на конструкцията под действието на приложени топлинни гранични условия. С други думи, разбира се, че термичните натоварвания действат неограничено дълго време, системата е достигнала до равновесно състояние и температурните полета не се променят във времето във всяка точка на системата, температурата има своя собствена стационарна стойност;
•нестационарнитоплопроводимост изчисляването на температурните полета на конструкцията се извършва в зависимост от времето. С други думи, температурните натоварвания бяха приложени сравнително наскоро и в системата се извършва активно преразпределение на температурните полета - преходен процес. Тази ситуация се наблюдава, когато тялото е подложено на нагряване или охлаждане, тоест когато температурата му се променя с течение на времето.
Системата T-FLEX Analysis има специален диалог, който ви позволява да зададете типа и свойствата на изчислението на температурата (фиг. 8), в който потребителят може да определи вида на изчислението (стационарно или нестационарно), както и да зададе допълнителни свойства на нестационарното изчисление. Като такива допълнителни свойства се задават: симулационният времеви интервал, времевата стъпка, началните температури на модела, съответстващи на нулевия момент от началото на температурната симулация.
Стъпка 4. Генериране на отчет въз основа на резултатите от изчислението. Потребителят може да анализира резултатите от изчислението не само с помощта на постпроцесора, вграден в T-FLEX CAD. Системата T-FLEX Analysis предоставя специална възможност за създаване на независим електронен документ в html формат, съдържащ информация за изчислената задача с диаграми на резултатите (фиг. 10). Този отчет може да бъде споделен с независими партньори или архивиран за по-късен преглед.
По този начин ние илюстрирахме основните точки на работа с модула за термично изчисление T-FLEX Analysis.
Нека отбележим още една важна функционалност на системата T-FLEX Analysis. В много практически случаи е необходимо да се вземат предвид ефектите на температурата в механичните изчисления, така нареченият проблем на термоеластичността. Наистина, известно е, че телата променят размерите си в зависимост от температурата. В същото време, вмеханична система, могат да възникнат топлинни деформации и произтичащите от тях напрежения. Изчисляването на такива режими се поддържа в статичния изчислителен модул T-FLEX Analysis. Когато извършва изчисления на статична якост, потребителят може да зададе температури на елементите на модела или монтажните части, за да вземе предвид термоеластичния ефект, въведен в системата. В допълнение към директното задаване на температурите за изчисление, потребителят може да използва резултатите от предварително топлинно изчисление като начални температурни полета. За да направите това, в диалоговия прозорец за настройка на термоеластични свойства в модула за статично изчисление, потребителят може да посочи резултатите от термичното изчисление като проектна температура (фиг. 11). В резултат на това статичното изчисление ще вземе предвид ефекта на температурните полета върху структурните деформации (фиг. 12).
По този начин модулът за термично изчисление T-FLEX Analysis позволява на потребителите на T-FLEX CAD да извършват различни термични изчисления на проектирани конструкции в позната на потребителите софтуерна среда. Ползите от подобно интегрирано решение са ясни:
• минимизира времето за въвеждане на информация за продукта в системата за анализ на крайните елементи;
• няма възможни грешки при експорт-импорт на модели чрез универсални формати за обмен или грешки при многократно ръчно въвеждане, тъй като моделът се прехвърля за извършване на изчисления възможно най-точно;
• запазва се асоциативната връзка на изчисления математически модел и електронния тримерен модел на продукта благодарение на директната софтуерна интеграция. Това означава, че потребителят може да промени размерите на анализирания продукт, да актуализира FE модела и веднага да получи действителните резултати от изчислението. В същото време не е необходимо да въвежда отново геометрията, да експортиравнос, задаване на гранични условия и др. Очевидно това е много удобно за потребителя и ви позволява бързо да изчислите няколко опции и да изберете най-добрия от тях.