Analisi Termica

Il modulo di analisi termica serve per risolvere trasferimento di calore e problemi di conduzione termica. Un obiettivo tipico di eseguire l'analisi termica è trovare campi di temperatura e flusso di calore (termica) all'interno del volume di un prodotto. AutoFEM supporta due modalità di formulazione di un problema di analisi termica:

•

Stato stazionario – calcolare i campi di temperatura e distribuzione del flusso di calore sotto l'ipotesi di un infinitamente lungo tempo che passa dopo l'applicazione di carichi termici. la temperatura di un corpo non cambia nel tempo in stato stazionario, in modo che un volume elementare corpo perde più energia per l'ambiente per l'unità di tempo come guadagna dall'esterno o da fonti di calore interne.

•

Processi transienti – Calcolo dei campi di temperatura avviene in funzione del tempo. Il modello di distribuzione del campo di temperatura cambia con il tempo nel sistema fisico analizzato, in modo che i risultati dello studio nell'ottenere campi di temperatura in ogni istante di tempo di un certo periodo di tempo stabilito dall'utente.

Esempi di uno stato stazionario e transitorio processi termici-dinamici

Dettagli dei passi dell'Analisi Termica

Analisi termica avviene in più fasi. La sequenza di passi degli utenti per mettere insieme uno studio e l'esecuzione di uno studio termico di una struttura è in molte parti simili agli algoritmi di lavorare con gli altri moduli di studio di AutoFEM. Pertanto, noi sottolineare in questo capitolo solo alcuni dettagli specifici per gli studi termici.

1. Creazione di uno studio. Quando si crea uno studio, specificarne il tipo - «Termal Analisi». Come in altri tipi di studio, la costruzione di una mesh di elementi finiti è necessaria, per approssimare la geometria della struttura.

2. L'applicazione di condizioni al contorno. Nell'analisi termica, le condizioni al contorno sono rappresentate dal limite ed iniziale temperature, la sorgente del potere calorifico, flusso di calore, e condizioni di scambio termico tra il modello e l'ambiente – convezione e radiazione applicata al modello.

La temperatura iniziale viene utilizzato per definire carichi termici al momento iniziale (zero) del tempo solo per l'analisi termica transitoria. Tutti i carichi termici definiti senza il flag «iniziale» sono considerati costante (variabile) sia in stato stazionario e l'analisi termica transitoria.

3. Risoluzione. Prima di eseguire calcoli, l'utente può specificare il tipo di uno studio analisi termica essendo risolto (scheda [Parametri], stato stazionario o trasferimento termico transitorio), e, se necessario, modificare algoritmi per sistemi di equazioni risolvere il [Risolvi] scheda.

4. Analisi dei risultati soluzione termica. I risultati di una analisi termica sono:

campi di temperatura - la distribuzione della temperatura nel corso del volume del modello.

gradienti termici nel X, Y, Z., e l'intensità del gradiente termico - riflettere sul grado di variazioni di temperatura dai rispettivi assi del sistema di coordinate.

Risultante flusso termico da X, Y, Z., e l'ampiezza risultante flusso termico -show prezzo del trasferimento di energia termica, determinata dalla soluzione allo studio analisi termica.

Magnitudine del (temperatura) gradiente termico e il flusso di calore risultante sono determinati come la radice quadrata della somma dei quadrati delle rispettive componenti di coordinate proiettate.

Oltre ai risultati citati, i seguenti dati di riferimento possono essere visualizzati nella finestra post-processore:

•	Prescritto flusso termico corrisponde ai parametri iniziali specificati di carichi termici.

•	Prescritta temperatura – carichi termici costanti applicate al modello.

•	Iniziale temperatura – campo temperatura iniziale applicato al modello (per l'analisi termica transitoria).

I metodi per l'analisi dei risultati dell'Analisi termica accettato nella AutoFEM Post-elaborazione, sono in generale simile ai metodi di valutazione dei risultati in altri moduli di analisi. Citiamo alcuni strumenti specifici della Post-elaborazione, che possono essere usati per analizzare i risultati di trasferimento di calore transitoria.

Soluzione uno studio di trasferimento di calore transitoria si traduce in un grande insieme di dati, il cui numero complessivo è pari al numero di fasi temporali specificate dall'utente. AutoFEM fornisce all'utente una comoda interfaccia visuale per la gestione dell'intero array di dati derivanti da calcoli. A tale scopo, un pannello di dialogo che descrive il tempo del processo processo può essere chiamato dai risultati di visualizzazione nella finestre del menu di scelta rapida, che possono essere utilizzati dall'utente per passare rapidamente al risultato desiderato sulla scala temporale.

Uso della finestra indicante il tempo del processo per la gestione dell'accesso ai risultati di uno studio termico transitorio

Impostazioni del processo di analisi termica

Nella scheda [Generale], è possibile definire o modificare gli attributi descrittivi di questo studio, come il nome o un commento.

La scheda [Risolvere] contiene le impostazioni per sistemi di equazioni algebriche risolvere, con i loro significati simili alle impostazioni dello studio «Analisi statica» (si veda la relativa sezione). Si noti che il «Calcola utilizzando lineare elemento» modalità può essere utilizzata in molti casi di analisi termica facilitazione calcoli molto più veloce. A differenza degli studi in statica, analisi di frequenza e del carico di punta, i risultati della distribuzione di temperatura nel corso del volume del modello realizzato sotto l'ipotesi interpolazione lineare non sono molto diversi dai rispettivi risultati ottenuti utilizzando una interpolazione quadratica.

Prima di iniziare i calcoli, nella scheda [Parametri] l'utente può indicare il tipo di problema risolto termica analisi: stazionarie (regime costante) o conduzione termica non stazionaria (processo transitorio).

Per non stazionario conduzione termica, è necessario specificare una durata del processo ( «tempo di processo totale»), step tempo e temperatura iniziale.

Nell'analisi termica, controlli «temperatura iniziale | Utilizzare temperatura preimpostata» permettono all'utente di definire come temperatura iniziale:

•	temperatura iniziale prescritto con l'aiuto del comando "AutoFEM \| Carichi / Restrizioni \| Temperatura iniziale ...";

•	il valore predefinito di temperatura a quei nodi elementi finiti dove la temperatura iniziale non è stato definito dall'utente.

Tabella dei «Parametri» della finestra dello studio dell'analisi termica

Il controllo «Utilizzare i risultati di calore-task» permette di definire la temperatura iniziale dai risultati di un'analisi termica precedente condotta. Questa finestra di dialogo voce diventa accessibile per l'utente, se ci sono precedenti condotti studi termici presenti nel modello. Nell'elenco a discesa selezionare il nome di uno studio risolto analisi termica e, se necessario, l'istante di tempo, per cui la soluzione appartiene. Si prega di notare che alcune condizioni devono essere soddisfatte per l'utilizzo di risultati di analisi termica, come le condizioni di temperatura iniziali:

1. Condizioni Identità di elementi finiti maglie in entrambe le analisi termiche. Il modo più semplice per raggiungere tale identità è l'uso del comando "Copia" disponibile nel menu contestuale. La sequenza di passi può essere, per esempio, come segue:

a) creare uno studio di tipo "Analisi termica", generare una mesh, definire condizioni al contorno, ed eseguire. Assumiamo che le temperature risolti saranno utilizzati per definire temperature iniziali in un altro studio dell'analisi termica transitoria;

b) creare una copia di uno studio con la «copia» di comando;

c) definire le condizioni al contorno di uno studio transitoria analisi termica. Sulla scheda dei «Parametri» delle proprietà dello studio, selezionare il nome del primo studio e, se questo è l'analisi transitoria, il passo temporale desiderato.

Come risultato, abbiamo due studi di diverso tipo, ma con identiche maglie elementi finiti.

2. Il "Calcola usando elemento lineare" di proprietà della scheda "Risolvere" della finestra di parametri di studio dovrebbero utilizzare le stesse impostazioni in entrambi gli studi. Ad esempio, se la prima analisi termica è fatto da elementi lineari, poi la seconda analisi termica in base ai precedenti risultati dell'analisi termica può anche essere eseguito solo da elementi lineari.

Si noti inoltre che risolvere uno studio di trasferimento di calore transitoria richiede più tempo di CPU rispetto al trasferimento di calore a stato stazionario, in quanto nel primo caso i sistemi di equazioni algebriche sono risolti ad ogni passo tempo definito dall'utente.

La scheda [Risultati] permette di definire i tipi di risultato visualizzabili nella struttura di studi dopo aver terminato i calcoli.

La scheda «Risultati» (a sinistra) e di dialogo per l'impostazione dei risultati visualizzati di default nella struttura di studi (a destra)

Esempi di Studi Analisi Termica

Analisi termica di un radiatore di raffreddamento. Stato stazionario

Richiesto è una valutazione di un raffreddamento efficienza radiatore passivo per il dispositivo elettronico a semiconduttore con la potenza massima dissipazione di 15 Watt. La temperatura ammissibile del corpo del microchip 75 ° C nel campo operativo di temperature ambiente da 25 ° C a 55 ° C. Un radiatore lega di alluminio è usato per il raffreddamento del dispositivo ed è montato nella parte superiore del corpo del microchip. Per migliorare la dissipazione del calore, il corpo del microchip è anche realizzato in alluminio.

Fase 1. La creazione di uno «Studio», meshing, e materiale assegnazione. Creare uno studio della «Analisi Termica» digitare utilizzando il comando «Analisi | Nuovo studio» sulla base di due corpi - il microchip ed il radiatore. Generare una mesh di elementi finiti. È inoltre necessario definire i parametri di materiale della parte. Da impostazione predefinita, i calcoli utilizzano le proprietà del materiale dall'operazione, vale a dire, le proprietà dei materiali vengono automaticamente ottenuti dal modello solido della parte del prodotto. Ciò è particolarmente utile quando uno studio comprende corpi di diversi materiali che rappresentano parti di modelli di assemblaggio. Nel nostro caso, il materiale «alluminio» è stato definito nella creazione del modello 3D del radiatore e il microchip, con le sue proprietà fisiche e chimiche contenute nel database AutoCAD.


Three-dimensional model of the microchip with a passive cooling radiator	Resulting finite element mesh

Fase 2. Applicare le condizioni al contorno. Precisiamo i carichi termici per il modello. Si applica una «potenza di calore» a 15 Watt al volume del microchip, e definendo le condizioni al contorno per la «convezione» sulle superfici esterne del radiatore con un parametro di convezione di 15 Watt / (m2. ° C) e temperatura ambiente (25 ° C). Si può trascurare in questo studio il fattore di scambio termico di radiazione reciproca e ambiente, in quanto il contributo della radiazione è irrisorio alle temperature attese (decine di gradi centigradi). Dopo aver completato i comandi della costruzione della maglia ad elementi finiti e la definizione dei carichi termici, otteniamo un modello ad elementi finiti pronto per i calcoli.

Definire carico "Power Heat"

Definire carico "Convezione"

Fase 3. Calcoli in corso e risultati di analisi. Inizieremo l'analisi termica eseguendo il comando «Analisi | Risolvi». Nella finestra di dialogo che appare di proprietà dello studio, impostare lo «stato stazionario» opzione nella scheda [Parametri]. Utilizzare la «Calcola utilizzando lineare elemento» Modalità nella scheda [Risolvi] per accelerare i calcoli.

L'elenco dei risultati del calcolo viene visualizzata in «Studi» finestra, ed è accessibile dal menu contestuale della finestra risultati di calcolo. La temperatura massima in base ai risultati di calore e di analisi è 39,1 ° C alla temperatura di convezione pari a 25 ° C. Ci sarà quindi modificare la temperatura di convezione con il comando «Modifica» del menu contestuale studi albero, impostando la temperatura ambiente operativo al suo limite superiore (55 ° C), e quindi eseguire nuovamente i calcoli. Vi ottenere la temperatura massima del microchip pari a 69,1 ° C. La conclusione è il radiatore non soddisfa la condizione di temperatura richiesta per il dispositivo in tutta la gamma di temperature operative del dispositivo specificato. Lo studio è completo.

campi di temperatura nel radiatore sotto la temperatura di convezione di 25 ° C

Calcolo del tempo di riscaldare il radiatore di raffreddamento. Modalità Transiente

Valutiamo il tempo necessario al dispositivo per raggiungere uno stato termico stazionario. Per fare questo, corriamo un transitorio analisi termica del sistema «microchip + radiatore».

Fase 1. Creazione di una copia di studio. Creeremo una copia dello studio originale in un analisi termica in regime stazionario con il «copia» il comando del menu contestuale studi albero. Uso di "Rinomina" comando dal menu di scelta rapida sulla copia cambiare il nome dello studio di «riscaldamento».

Fase 2. Definizione dei parametri di analisi transitoria. Nella scheda [Parametri] delle proprietà di analisi termica, impostare la modalità di «transitorio». Definire i parametri di analisi del tempo - il tempo di modellazione di 30 minuti e la fase di modellazione di 0,5 minuti. Useremo la temperatura ambiente uniforme (25 ° C) come temperatura iniziale del modello.

Definizione parametri di calcolo di analisi termica transitoria - tempo e temperatura iniziale

Fase 3. Esecuzione dei calcoli e risultati dell'analisi. Dopo il completamento del calcolo, è possibile esaminare i risultati ad ogni passo temporale. Per visualizzare tali risultati, usiamo un «tempo di processo» bar galleggiante che permette all'utente di passare rapidamente al istante di tempo di interesse utilizzando un cursore. Con l'aiuto di questi strumenti si determina che un riscaldamento quasi completa del radiatore avverrà dopo circa 26 minuti.

Risultato di analisi termica al momento 1.590 sec (26 min.)

Calcolo del tempo di raffreddamento verso la base del radiatore di raffreddamento. Modalità Transiente

Ora, cerchiamo di valutare il tempo necessario per il radiatore dispositivo di raffreddamento per rinfrescarsi dopo un lavoro prolungato.

Fase 1. Creazione di una copia di studio. Regolazione condizioni al contorno. Creiamo una copia dello studio originale della analisi termica in regime stazionario. Regolare le condizioni al contorno di questo studio: il carico di «potere di calore» sarà cancellato.

Fase 2. Definizione dei parametri di analisi transitoria. Impostare la modalità «transitorio» sulla scheda delle proprietà di analisi termica. Definire i parametri di analisi in tempo - il tempo di modellazione di 30 minuti, la fase di modellazione di 0,5 minuti. Usiamo il risultato della precedente valutazione del radiatore allo stato stazionario, come la temperatura iniziale del modello.

Impostazione dei parametri di studio per il calcolo del processo di raffreddamento

(Trasferimento di calore transitorio)

Fase 3. Risultati di un calcolo di analisi. Corriamo calcoli e analizzare i risultati. Utilizzando la barra del "tempo del processo", possiamo determinare che il raffreddamento quasi completa del radiatore avverrà in circa 26 minuti dopo aver spento il dispositivo.

Dispositivo di raffreddamento di calcolo.

distribuzione temperature a 1590 secondi del tempo di calcolo

Torna ai contenuti

autofem.com