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| Temperaturfeld (3-D Einarbeitung)
Das vorliegende Übungsbeispiel ist in folgende Punkte gegliedert: Lernziel
In diesem Beispiel wird eine stationäre, 3-dimensionale Temperaturfeld-Berechnung durchgeführt. Die Geometrie entspricht derjenigen von Beispiel 1. In diesem Beispiel werden die grundlegenden Eingaben für eine Temperaturfeldberechnung behandelt. Für die Durchführung von Beispiel
2 sehen Sie etwa 1 bis 1,5 Stunden vor.
Die zu berechnende Struktur stellt eine etwa 2 m breite Platte dar, die einem Balkon vergleichbar ist. Die Platte ist an einer Seite (an der Hauswand) befestigt und ragt 1 m nach außen. Die Plattendicke beträgt am freien Außenrand 0.2 m. Die untere Seite ist gerundet, sie wird von der Außenkante zur Hauswand hin dicker. Der Radius dieser Rundung beträgt 1.8 m. An der Oberseite der Platte wird (durch Sonneneinstrahlung) eine Wärmestromdichte von 200 W/m2 eingebracht. An den seitlichen Flächen und der Unterseite ist eine konvektive Randbedingung mit einem Wärmeübergangskoeffizienten von 10 W / (m2 K) und eine Umgebungstemperatur von 0 °C zugrundezulegen. An der Seite, an der die Balkonplatte an die Hauswand angrenzt, ist die Temperatur 2O°C. Die Aufgabe wird mit einer stationären Temperaturfeldberechnung gelöst. Das Bauteil wird durch ein 3-dimensionales Modell abgebildet. Dazu wird ein Elementtyp verwendet, der als Volumen definiert ist. Damit wird die gesamte Platte unter Berücksichtigung der Einwirkungen der Plattenränder abgebildet. Es wird ein Elementtyp mit einem relativ einfachen Elementansatz verwendet. Jedes Element wird als Quader mit 8 Eckknoten ausgeführt werden. Bei der Modellerstellung wird zunächst die seitliche Fläche festgelegt, die in Beispiel 1 das Modell darstellte, und diese Fläche wird mit ebenen Elementen vernetzt. Anschließend wird diese Geometrie mit dem Netz in die dritte Richtung "herausgezogen" (extrudiert) und damit ein Volumen gebildet. Das Flächenmodell wird anschließend inaktiviert. 3.1 Jobname Die Festlegung des Jobnamen erfolgt über Utility Menu> File> Change Jobname Eintrag mit der Tastatur: Thermo OK 3.2 Die Knoten, die Elemente und der Elementtyp Die Festlegung des Quadrates: Main Menu>
Preprocessor> Create> Rectangle> By Dimensions
OK Das Quadrat in die obere linke Ecke des Bildbereiches verkleinern und verschieben, so daß genügend Platz entsteht, um den Kreis mit Zentrum und Außenrand zu kennzeichnen: Utility Menu> PlotCtrls> Pan, Zoom, Rotate Festlegung des Kreises: Main Menu> Preprocessor> Create> Circle> Solid Circle Kreiszentrum mit gedrückter linker Maustaste positionieren auf Global x 1
dann Maustaste loslassen
Randpunkt mit gedrückter Maustaste positionieren auf Global x 1
dann Maustaste loslassen. OK Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
Die Boole'sche Subtraktion der Flächen: Main Menu> Preprocessor> Operate> Subtract> Areas das Quadrat anpicken (die Basisfläche für die Subtraktion) OK den Kreis anpicken (die Fläche, die von der Basisfläche subtrahiert wird) OK
Wie in der strukturmechanischen Anwendung in Beispiel 1 wird ein Flächenelementtyp ausgewählt, hier jedoch der Elementtyp PLANE55, der für die Berechnung von Temperaturen geeignet ist. Diese Elemente stellen damit die Wärmeübertragungseigenschaften eines Kontinuums dar, an den Eckknoten sind die Temperaturen die unbekannten Größen. Das Auswählen des Elementtyps erfolgt mit Main Menu> Preprocessor>
Element Type> Add/Edit/Delete
Die Kriterien für die Vernetzung: Main Menu> Preprocessor>
Shape & Size> -Lines- All Lines NDIV No. of element divisions 5
Die Vernetzung: Main Menu> Preprocessor> Mesh> -Areas- Mapped> 3 or 4 sided Pick All Die Geometrie und die Vernetzung der Seitenfläche ist damit abgeschlossen. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB Der Elementtyp der Volumenelemente repräsentiert auch hier vergleichbar zur strukturmechanischen Anwendung, Quaderelemente mit 8 Eckknoten. Dies ist für die Berechnung der Temperaturen der Elementtyp SOLID70. Die Elemente stellen die Wärmeübertragungseigenschaften eines Kontinuums dar. Die Elementtyp-Angabe erfolgt mit Main Menu> Preprocessor>
Element Type> Add/Edit/Delete
Thermal Solid Brick 8node 70 OK
Main Menu> Preprocessor> -Meshing- Attributes> Default Attribs [TYPE] Element type number 2 OK Die Teilung in z-Richtung: Main Menu> Preprocessor>
Shape & Size> -Global- Size
OK und das Extrudieren: Main Menu> Preprocessor>Operate>
Extrude/Sweep> -Areas- By XYZ Offset
Kontrolle der Elemente: Utility Menu> Plot> Elements im Pan-Zoom-Rotate-Fenster:
Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Das Entfernen der Flächenelemente: Main Menu> Preprocessor> Clear> Area anpicken der zutreffenden Seitenfläche (falls sie nicht zu sehen ist, schieben Sie mit gedrückter linker Maustaste den Mauszeiger so lange über das Modell, bis die zutreffende Seitenfläche eingefärbt ist, oder drehen Sie das Modell mit Pan/Zoom/Rotate) OK
3.3 Die Materialdaten Der für die Berechnung des Temperaturfeldes und des Wärmedurchganges im Material maßgebende Wert ist die Wärmeleitfähigkeit, die im ANSYS-Programm mit KXX bezeichnet ist. Der Buchstabe K soll dabei die Wärmeleitfähigkeit kennzeichnen, die folgenden Buchstaben XX sind ein Richtungsindex. Die Leitfähigkeit KXX wird für alle Raumrichtungen verwendet, wenn nicht für die anderen Raumrichtungen Zahlenwerte für KYY (in y-Richtung) oder KZZ (in z-Richtung) vorgegeben werden. Die Eingabe der Materialdaten erfolgt wie in der strukturmechanischen Anwednung mit Main Menu> Preprocessor>
Material Props> Isotropic
Thermal conductivity
Kxx
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In diesem Abschnitt werden die äußeren Einflüsse auf unsere Struktur (die festgelegten Randtemperaturen, von außen aufgeprägte Wärmeströme, Wärmestromdichten und konvektive Einflüsse) festgelegt und die Berechnungsaufgabe gelöst. Main Menu> Solution>
4.1 Die Randbedingungen Selektieren der Knoten mit dem Koordinatenwert x= 0: Utility Menu> Select>
Entities
Kontrolle: Utility Menu> PlotCtrls>
Numbering
Die Festlegung der Temperatur an diesen
Knoten erfolgt wie die mechanischen
Main Menu> Solution>
Apply> Temperature> On Nodes
Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
4.2 Die Wärmestromdichte Selektieren der Fläche an der Oberseite für das Aufbringen der Wärmestromdichte: Utility Menu> Plot>
Areas
Anpicken der Oberseite OK Selektieren der zugehörigen Knoten: Utility Menu> Select>
Entities
Kontrolle der Knoten: Utility Menu> Plot> Nodes Das Aufbringen der Wärmestromdichte (heat flux) erfolgt wie bei der mechanischen Flächenlast (dort war ein Druck (pressure) eingegeben worden) mit Main Menu> Solution>
Apply> Heat Flux> On Nodes
Die Wärmestromdichte ist eine Oberflächenlast und daher auf Modell- oder Elementoberflächen aufzubringen. Hier wurde die gewünschte Oberfläche indirekt dadurch festgelegt, daß die Knoten selektiert wurden, die diese Oberfläche aufspannen. Aufheben der Selektionen: Utility Menu> Select> Everything Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
4.3 Die Konvektion Selektieren der konvektiv belasteten Flächen: Utility Menu> Plot>
Areas
Nacheinander die schmale Frontseite,
OK Die Knoten dieser Flächen: Utility Menu> Select>
Entities
Kontrolle der Knoten: Utility Menu> Plot> Nodes Die Konvektion zur Umgebungsluft: Main Menu> Solution> Apply> Convection> on Nodes Pick All Mit dem nun geöffneten Fenster mit
der Titelzeile Apply CONV on Nodes werden die Zahlenwerte der Konvektion
eingetragen: im Feld neben VALUE Film coefficient
(Wärmeübergangsbeiwert) wird mit der Tastatur 10
eingesetzt und im Feld neben
Grafische Übersicht über die Lasten: Utility Menu> Select> Everything Utility Menu>
PlotCtrls> Symbols
Diese Darstellung bestätigt, daß die Temperatur-Vorgaben und die Konvektion wie beabsichtigt aufgebracht worden sind. Die Kontrolle der aufgeprägten Wärmestromdichte: Utility Menu> PlotCtrls>
Symbols
Diese Darstellung bestätigt, daß auch die Wärmestromdichte wie beabsichtigt aufgebracht worden ist. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
4.4 Die Berechnung des Lastfalles Für die Berechnung dieses Lastfalles wird Main Menu> Solution> -Solve- Current LS ausgewählt. Es erscheint ein Hinweis-Fenster mit der Titelzeile Solve Current Load Step und eine Liste mit der Titelzeile /STAT Command. Beide Fenster informieren Über die für dieses Beispiel eingegebenen Daten. Hier wird unter anderem festgestellt, daß die Struktur mit einem 3-dimensionalen Berechnungsmodell abgebildet wird. Jeder Knoten hat den Freiheitsgrad TEMP. Es ist eine stationäre Lösung vorgesehen. Diese Einträge bestätigen Sie mit OK. Der Abschluß der Berechnung wird durch ein Hinweisfeld mit dem Text solution is done! gemeldet. Durch Anklicken von Close wird das Fenster geschlossen. Das Fenster, das die Lösungs-Einstellungen protokollierte, kann ebenso geschlossen werden. 5.1 Die Temperaturen Farbkontur-Darstellung der Temperaturen: Main Menu> General
Postproc> Plot Results> Nodal Solu
Ausblenden der Element-Begrenzungslinien: Utility Menu> PlotCtrls>
Style> Edge Options
5.2 Die Verteilung der Wärmestromdichte Farbkontur-Darstellung der Wärmestromdichten: Main Menu> General Postproc> Plot Results> Nodal Solu Flux & gradient Thermal flux TFSUM OK Diese Verteilung kann auch als Pfeilgrafik verdeutlicht werden. Stellen Sie dazu zunächst die Darstellung von Raster-Grafik auf Vektor-Grafik um mit Utility Menu> PlotCtrls> Device Options schalten Sie [/DEVI]
Vector rnode (wireframe) auf On, bestätigen
Sie mit OK und
Main Menu> General
Postproc>
Wählen Sie Flux
& gradient (Wärmestromdichte und Temperaturgradient) und
Thermal flux TF (Wärmestromdichte) und
klicken Sie OK an.
5.3 Der Isosurface-Plot Die Isosur-face-Darstellungsmöglichkeit ist insbesondere bei Temperaturfeldberechnungen wichtig, weil bei diesen Aufgabenstellungen häufig durch innere Wärmequellen (zum Beispiel elektrische Stromwärmeverluste) Wärmenester auftreten können. In diesen Fällen ist es nicht ausreichend, die Temperaturen an der Oberfläche des Volumenmodells darzustellen, sondern man muß in das Volumen hineingehen können. Dazu sind lsosurface-Plots (mit Translucency, also durchscheinenden Flächen) und Capped-Hidden-Plots geeignet. Testen Sie diese Möglichkeiten bei diesem Modell. Schalten Sie zunächst wieder auf Raster- Plotdarstellung mit Utility Menu> PlotCtrls>
Device Options [/DEVI] Vector mode (wireframe) Off
Die Isosurface-Plot-Einstellung: Utility Menu> PlotCtrls>
Style> Contours> Contour Style
Main Menu> General
Postproc> Plot Results> Nodal Solu
OK Sie sehen innerhalb des Modellvolumens farbige Flächen, die jeweils die Begrenzung von Bereichen bestimmter Temperaturwerte darstellen. Mit der Grafiksteuerung Dynamic Mode (im Fenster Pan-Zoom-Rotate) kann jetzt besonders deutlich auch im Inneren des Modells die Temperaturverteilung erkannt und beurteilt werden. (Die Handhabung der Grafiksteuerung mit dem Dynamic Mode war in Beispiel 1 beschrieben worden.) Zurückstellen der Isosurface-Plot-Einstellung: Utility Menu> PlotCtrls>
Style> Contours> Contour Style
Zur Fortsetzung der Arbeit mit anderen Beispielen des Teils IV müssen Sie zunächst das gerade abgeschlossene Modell löschen. Das Löschen des gerade abgeschlossenen Modells erfolgt über Utility Menu> File>
Clear & Start New
Sie können nun mit einem anderen Beispiel beginnen und das ANSYS/ED-Menü weiter verwenden. Als Variante zum Selbststudium verwenden Sie bei diesem Beispiel die gleiche Geometrie, bringen Sie jedoch die Wärmestromdichte nur auf einen Teil der Oberfläche auf. Beachten Sie die geänderte Temperaturverteilung über der Länge des Balkons. Hinweis: Nachdem in Abschnitt 5.2 die Fläche
des Modells, die die Oberfläche bildet, selektiert wurde und anschließend
die zu dieser Fläche gehörenden Knoten, führen Sie noch
eine weitere Selektion aus. Dazu verwenden Sie zum Beispiel das Kriterium
"alle Knoten mit einer z-Koordinate zwischen 0 und 1.5" und schalten Reselect
ein (damit wird diese Selektion auf die bereits vorher selektierten Knoten
angewendet). Kontrollieren Sie das Ergebnis grafisch (aus verschiedenen
Blickrichtungen) und anhand einer Liste der Knotenkoordinaten (utility
Menu> List> Nodes). Vergewissern Sie sich, daß alle Knoten
einen y-Koordinatenwert y = 0 und einen z-Koordinatenwert 0 < z <
1.5 haben.
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