Software: FEM - Tutorial - Feldkopplung - MP - Thermo-Bimetall - Stationaere Simulation

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Stationäre Temperatur-Simulation

• In der Kupferschicht soll eine Wärmeleistung von (20+x,x) W generiert werden, wie dies bereits einleitend beschrieben wurde.
• Um das vorhandene Netz weiterhin zu verwenden, erzeugen wir eine Kopie des Szenarios "Konstante Temperatur 1xx°C" unter dem neuen Bezeichner "Stationaere Erwaermung".
• Aktuelle Berechnungsart festlegen > Thermisch > Statische Wärmeübertragung: Wir benötigen dafür kein weiteres neues Szenario und quittieren dementsprechend die Warnungen.
• In der Elementdefinition ist das thermische Problem noch zu konkretisieren:
• Da wir die Abführung der Wärme mittels Wärmeleitung und Konvektion über die Ränder des Modells berücksichtigen müssen, wählen wir für die Wärmeflussberechnung = Linear gemäß Randbedingungen.
• Da wir keine Wärmestrahlung zwischen den Körpern berücksichtigen, verwenden wir dafür die Option Nicht-transparent:
  
• Hinweis: Durch die Berücksichtigung der Wärmeflüsse mit der Option "Linear gem. Randbedingung" ist auch bei gröberer Vernetzung die Einhaltung des Energieerhaltungssatzes im Modell gewährleistet. Dies ist bei der Option "Berechnet am Schwerpunkt" nicht immer der Fall. Die Auswirkung auf die berechneten Temperaturverläufe ist meist unmerklich, jedoch erhöht die gewählte Option den Freiheitsgrad des Gleichungssystems um den Wert 1.
• Das Material muss nun mit den fehlenden thermischen Parametern versehen werden. Die mechanischen Kenngrößen (außer der Massedichte), sind im thermischen Netz nicht mehr verfügbar!
• Die Thermolast "Interne Wärmeerzeugung" verwenden wir zum Generieren der Wärmeleistung in die Kupferschicht. Dieser Wert in [W/m³] ist so zu berechnen, dass sich insgesamt die Wärmeleistung von (20+x,x) W ergibt.
• Die Thermolast "Gesteuerte Temperatur" verwenden wir, um die beiden Enden des Bimetalls auf eine konstante Temperatur von 40°C zu halten (entspricht thermisch gut leitende Kontaktierung). Dazu sind mittels <Strg>-Taste die insgesamt 4 Teilflächen an den beiden Enden zu wählen:
  
• Der große Wert der thermischen Steifigkeit repräsentiert einen extrem gut leitenden thermischen Kontakt. Über diesen Kontakt-Widerstand entsteht auch bei großen Wärmeströmen praktisch kein Temperaturabfall.
• Hinweis: Vor dem Ergänzen der Konvektion sollte man eine Simulation durchführen, um die Funktionsfähigkeit des Modells zu überprüfen:
  
• Die Konvektion mit einem Konvektionskoeffizient=5 W/(K·m²) wirkt an der Ober- und Unterseite des Bimetalls. Die Umgebungstemperatur soll mit 40°C angenommen werden.
• Die resultierende Erwärmung darf sich durch die Konvektion nur unwesentlich verringern! Die Maximaltemperatur wird dadurch um ca. 0,5 K gesenkt.
  

Pfadplot erstellen:

• Unter MFL > Ergebnisse abfragen > Diagramme besteht die Möglichkeit, einen sogenannten Pfadplot zu erstellen, indem man entlang eines Linienzuges in sinnvollen Abständen Knoten wählt und dem Pfad hinzufügt.
• Damit kann man entlang dieses Pfades den sich einstellenden Temperaturverlauf darstellen:
  

Verifizierung und Validierung:

• Es bleibt nun trotzdem die Frage, ob die Ergebnisse hinreichend genau sind.
• Qualitativ ist der Temperaturverlauf plausibel - ausgehend von der Randtemperatur 40°C erhöht sich die Temperatur entlang des Bimetallstreifens bis zu dessen Mitte.
• Die Temperatur im Invar-Streifen ist etwas geringer, als im Kupfer-Streifen.
• Ob die berücksichtigen physikalischen Zusammenhänge sich im simulierten Ergebnis richtig widerspiegeln, werden wir mit einem anderen FEM-Modell in einem anderen FEM-Programm überprüfen (Verifizierung).
• Nach erfolgreicher Verifizierung glauben wir auf Grund obigen Plausibilitätstestes daran, dass unser Modell die Realität hinreichend abbildet (Validierung).

Frage 2a+b:

• Welchen Wert besitzt die berechnete Maximaltemperatur?
• Wie groß ist die Abweichung im Vergleich zur nachfolgenden Simulation im FEMM-Programm?

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