Тепловой анализ: теплопроводность, оценка термопрочности конструкций

Тепловой анализ в среде АPMТепловой анализ в среде АPM

В программных продуктах APM возможно проведение теплового анализа как отдельных элементов конструкции, так и сборок в целом. Для описания тепловых процессов используется метод конечных элементов.
Для решения теплового взаимодействия в конструкции в программных продуктах АПМ предусмотрено два типа теплового анализа:

  • стационарная теплопроводность – процесс теплопередачи, при котором поле температур является постоянным и не зависит от времени;
  • нестационарная теплопроводность – процесс теплообмена, при котором поле температур напрямую зависит от времени процесса.

Процесс проведения теплового анализа в программных продуктах АПМ разделен на три основных этапа:

  • препроцессорная подготовка информации – подготовка расчетной модели (создание конечно-элементной модели, задание физических свойств материалов, воздействий (тепловых нагрузок) на конструкцию);
  • процессорная обработка информации – задание параметров расчета и проведение расчета;
  • постпроцессорная обработка информации – просмотр и анализ результатов расчета.

Тепловой анализ в продуктах APM

Препроцессорная подготовка информации

В программных продуктах АПМ предусмотрены различные способы создания конечно-элементной модели. В модуле APM Studio возможно создание оболочечной или твердотельной геометрической модели или импорт файлов CAD модели из сторонних продуктов, с последующим автоматическим созданием конечно-элементной сетки. В модуле APM Structure3D предусмотрены инструменты для создания собственных конечно-элементных моделей или редактирования импортируемых.

Для проведения теплового расчета всем элементам конструкции необходимо задать термические свойства: коэффициент температурного расширения, теплоемкость и теплопроводность. Термические свойства материала могут быть заданы в виде постоянного значения, графика, таблицы или функции от температуры.

Если термические свойства материала анизотропные, необходимо задать коэффициент температурного расширения и теплопроводность в различных направлениях (X, Y, Z).
Для моделирования задач теплового расчета пользователю доступны следующие виды начальных и граничных условий:

  • Температура в начальный момент времени включает режим задания начального условия (НУ) в виде температуры на стержень, пластину, объемный элемент. Учитывается только в нестационарном расчете.
  • Температура включает режим задания граничного условия (ГУ) в виде температуры на узел, стержень, пластину, объемный элемент.
  • Тепловой поток включает режим задания ГУ в виде теплового потока (мощности) на узел, стержень, пластину, объемный элемент.
  • Объемный источник тепла включает режим задания ГУ в виде теплового потока (мощности) распределенного по всему объему стержня, пластины, объемного элемента.
  • Тепловая точечная масса включает режим задания ГУ в виде добавочной теплоемкости в узле. Учитывается только в нестационарном расчете.
  • Скорость потока включает режим задания ГУ в виде скорости потока среды на объемный элемент.
  • При задании скорости потока необходимо, чтобы выполнялось условие – число Пекле для элемента должно быть меньше 1.
  • Температура в начальный момент времени на поверхности включает режим задания НУ в виде температуры на поверхность стержня, пластины, объемного элемента.
  • Температура на поверхности включает режим задания ГУ в виде температуры на поверхность стержня, пластины, объемного элемента.
  • Тепловой поток на поверхности включает режим задания ГУ в виде теплового потока распределенного на поверхности стержня, пластины, объемного элемента.
  • Конвекция включает режим задания ГУ в виде конвективного теплообмена на поверхности стержня, пластины, объемного элемента.
  • Излучение включает режим задания ГУ в виде теплообмена излучением на поверхности стержня, пластины, объемного элемента.

 

Процессорная обработка информации

Для проведения теплового расчета необходимо нужно выбрать Расчет стационарной теплопроводности или Расчет нестационарной теплопроводности и выбрать Загружение для которого будет производиться расчет.

При выборе Расчета нестационарной теплопроводности необходимо указать следующие настройки расчета:

  • Интервал – промежуток, для которого будет проводиться тепловой расчет;
  • Моментов время – количество шагов, на которое будет поделен интервал и для которых будут доступны результаты теплового расчета.

Постпроцессорная обработка информации

Модуль постпроцессорной информации включает визуализацию результатов анализа в виде контурных и векторных статических карт, а также в виде анимаций скалярных и векторных полей.
Для стационарной теплопроводности доступны следующие карты результатов:

  • Температура;
  • Тепловой поток;
  • Векторный тепловой поток;
  • Градиент температуры;
  • Векторный градиент температуры.

Для нестационарной теплопроводности добавляется еще карта результатов – Скорость изменения температуры.

При выводе результатов можно настроить следующие параметры:

  • вид карты (изообласти, максимальные значения в элементе);
  • количество изоуровней;
  • усреднение значений по узлам;
  • показывать шкалу в виде гистограммы;
  • недеформированная конструкция (КЭ сетку).

Для нестационарной теплопроводности доступны карты результатов в различные моменты времени.

Продукты