Software: FEM - Tutorial - Feldkopplung - MP - Thermo-Bimetall - Transiente Simulation: Unterschied zwischen den Versionen
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Nachdem alle Zeitschritte der transienten Simulation berechnet wurden, wird standardmäßig der Temperaturverlauf des letzten Zeitschrittes als Ergebnis-Kontur dargestellt. Dieser sollte bei hinreichend langer Simulationszeit dem stationären Zustand entsprechen: | Nachdem alle Zeitschritte der transienten Simulation berechnet wurden, wird standardmäßig der Temperaturverlauf des letzten Zeitschrittes als Ergebnis-Kontur dargestellt. Dieser sollte bei hinreichend langer Simulationszeit und hinreichend kleiner Schrittweite dem stationären Zustand entsprechen:<div align="center"> [[Datei:Software_FEM_-_Tutorial_-_Feldkopplung_-_MP_-_Thermo-Bimetall_-_Transient_Kontur_Endtemperatur.gif| ]] </div> | ||
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Version vom 19. April 2013, 12:57 Uhr
Wenn man in ein Bauteil eine Wärmeleistung einspeist (bzw. darin generiert), so dauert es infolge der Wärmekapazität der Materialien eine Weile, bis das Bauteil überall seine Endtemperatur (=stationärer Zustand) erreicht hat. Zielstellung der transienten Wärmeberechnung ist die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Erwärmung an allen Positionen des Bauteils:
- Der Solver muss dazu das Modell beginnend von einer Startzeit in hinreichend kleinen Zeitschritten bis zu einer gewünschten Endzeit durchrechnen.
- Als Primär-Ergebnisse liegen nach jedem Zeitschritt die aktuellen Knoten-Temperaturen vor.
- Vom Solver wird dabei eine numerische Integration durchgeführt. Um eine unzulässige Aufsummierung von Fehlern über die Zeitschritte hinweg zu vermeiden, muss die Zeitschrittweite an die Zeitkonstanten der Temperaturänderung angepasst werden.
- Für ausgewählte Knoten kann man sich nach Beendigung der transienten Berechnung die Temperatur als Funktion der Zeit anzeigen lassen.
In diesem Sinne soll das Modell nun konfiguriert werden (MFL > Setup > Modell einrichten > Parameter). Da transiente Berechnungen sehr zeitaufwändig sein können, sollte man unbedingt einige Vorüberlegungen zum Zeitbereich der Simulation anstellen:
- Der zu simulierende Zeitbereich soll so groß gewählt werden, dass die Endtemperatur des bereits berechneten stationären Zustands sicher erreicht wird. Die Maximaltemperatur beträgt dabei ca. 100°C.
- Zu Beginn der Simulation soll der Bimetallstreifen homogen die Umgebungstemperatur von 40°C besitzen. Es wird also eine maximale Temperatur-Änderung von 60 K stattfinden.
- Zur Vereinfachung vernachlässigen wir die Wärmeabführung an den Einspannungen und durch die Konvektion (= adiabatische Erwärmung).
- Die für eine Temperaturerhöhung ΔT erforderliche Wärmemenge Q=P·t ist dann nur abhängig von der Wärmekapazität m·c des Körpers der Masse m mit seiner spezifischen Wärmekapazität c:
- Benutzt man vereinfacht gerundete Mittelwerte für Dichte und spezifische Wärmekapazität, so benötigen wir ca. 4 s für die Erwärmung um 60 K.
- Die tatsächliche Zeit wird länger sein, da insbesondere durch die Wärmeleitung der Einspannung ein Großteil der Wärmeleistung abgeführt wird.
- Wir benutzen z.B. den 5-fachen Wert der überschlagsmäßig berechneten Zeit für die adiabatische Erwärmung.
- Deshalb simulieren wir einen Bereich von 0...20 s, mit der berechtigten Hoffnung, dass der stationäre Zustand am Ende der transienten Simulation erreicht wird:
- Innerhalb des simulierten Zeitbereiches sollen 100 Zeitschritte dT berechnet werden. "Steps" wurde ungünstig als "Sprünge" übersetzt.
- Jeder der berechneten Zeitschritte soll ausgegeben werden (Ausgabeintervall=1).
- Da in unserem Modell keine Strahlung berücksichtigt wird, setzen wir den Strahlungs-Multiplikator=0 (in der Hoffnung, dass es etwas schneller rechnet).
Die numerische Integration benötigt Anfangswerte für alle Zustandsgrößen:
- Bei thermischen Modell bilden die Knoten-Temperaturen die Zustandsgrößen des Modells.
- Ausgehend von einer Anfangstemperatur verändern sich die Knotentemperaturen im Verlaufe der Zeit.
- Wir beginnen mit einer einheitlichen Anfangstemperatur=40°C für den gesamten Bimetall-Streifen. Dies entspricht der angenommenen Umgebungstemperatur (Setup > Optionen > Standardknotentemperatur = 40°C).
Fehlerbehebung:
- Nach dem Start der Simulation kommt eine wenig hilfreiche Fehlermeldung im Fehlerprotokoll:
"Error occurred with module: C:\PROGRA~1\Autodesk\SIMULA~1\srun11.exe" - Zum Glück findet sich ein Hinweis in den Details des Statusfensters der Simulation:
"**** Error: Load curve 1 is not defined while trying to use it." - In einer transienten Wärmefluss-Simulation folgen alle Lasten sogenannten Lastkurven.
- In einer Lastkurve kann man unterteilt in Zeitabschnitte über Faktoren steuern, wie sich einzelne Lasten zeitlich ändern sollen.
- Standardmäßig sind alle lasten mit der Lastkurve 1 verknüpft.
- In unserem Beispiel wird keine zeitliche Änderung der Last-Werte benötigt. Eine Lastkurve ist also nicht erforderlich.
- Wir verknüpfen nachträglich alle thermischen Lasten mit der Lastkurve 0 (d.h., es soll keine Lastkurve benutzt werden).
- Dafür genügte im Beispiel die Änderung der Lastkurven-Nummer für die Wärmeerzeugung:
Transiente Ergebnisse
Nachdem alle Zeitschritte der transienten Simulation berechnet wurden, wird standardmäßig der Temperaturverlauf des letzten Zeitschrittes als Ergebnis-Kontur dargestellt. Dieser sollte bei hinreichend langer Simulationszeit und hinreichend kleiner Schrittweite dem stationären Zustand entsprechen:
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