Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis

Version 2001

Глава 8 - Термальный анализ


Техническое требование

В этой главе рассматривается::

Основы моделирования для термального анализа

Типы термального анализа

Тепловые нагрузки

Граничные условия

Типы модели

Интерпретация Результатов

Передача нагрузки

Тепловые анализы исследует эффект теплопередачи в модели. Теплопередача является потоком тепла через тело, в котором происходит температурное изменение. Коэффициенты теплопередачи - важная часть инженерного анализа во многих отраслях промышленности. Например, коэффициенты теплопередачи играют большую роль при проецировании котлов, турбин и двигателей внутреннего сгорания. Часто, проектировщик этих систем должен сохранить высокие коэффициенты теплопередачи, оставаясь в пределах для материала по высокой температуре. Есть три режима теплопередачи: проводимость, конвекция и излучение.

 

Проводимость

Проводимость - передача тепла через твердое тело или тело неподвижной жидкости (например, вода, газ), в котором происходит изменение температуры. Режим проводимости тепла происходит в атомной и молекулярной структурах тела. Пример проводимости в газовом цилиндре показан на рисунке 8-1.

 

Рисунок 8-1

 

Разница температуры между верхом и низом газового цилиндра принята равной 10°C. Молекулы газа в верхней части цилиндра имеют более высокую энергию (то есть, более свободное колебание) из-за более высокой температуры. В результате они сталкиваются с соседними молекулами и энергия передаётся этим молекулам. Процесс передачи энергии от молекул с высокой энергией соседним молекулам (с верней части цилиндра вниз) продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

 

Конвекция

Конвекция - передача теплоты от поверхности к перемещающейся жидкости (например, воздуху) с более низкой температурой, чем поверхность. Теплота должна проводиться через материал (например, теплообменник) прежде, чем оно сможет быть забрано внешним воздухом. Есть два типа конвективной теплопередачи: естественная и принудительная.

Естественная

При теплопередаче с естественной конвекцией охлаждающая жидкость в свободном течении. Например, если горячая пластина оставлена охлаждаться при отсутствии ветра, то воздух в районе контакта с горячей пластиной имеет более низкую плотность чем, воздух над горячей пластиной. Это создает циркуляцию, когда нагретый воздух поднимается вверх, а более прохладный воздух опускается вниз.

 

Принудительная

При теплопередаче с принудительной конвекцией, охлаждающая жидкость перекачивается или поверхность обдувается. Используя пример выше, в при обдуве воздухом первичная передача тепла происходит в результате движения воздуха, тогда как свободная конвекция все еще имеет место.

Излучение

Излучение является эмиссией энергии от нагретых поверхностей в форме электромагнитных волн. Две нагретые поверхности при различных температурах передают теплоту излучением друг другу, если нет другого способа переноса (например, молекулярное колебание, воздух). Теплопередача проводимостью или конвекцией требует способа переноса. Радиационная теплопередача лучше всего работает в вакууме.

 

8.1 Pro/MECHANICA Thermal

Подобно Pro/MECHANICA Structure, Pro/MECHANICA Thermal имеет три различных компонента для конечно-элементного анализа: моделирование, анализ и интерпретация результатов. Каждый из этих компонентов содержит шаги, как показано на Рисунке 8-2.

 

Рисунок 8-2

Pro/MECHANICA Thermal запускается так же, как и Pro/MECHANICA Structure; вместо выбора Structure, выберите Thermal.

После того как Вы запустите Pro/MECHANICA Thermal, все шаги процесса анализа модели требует выбора опций. Эти опции суммированы в таблице 8-1. Они будут подробно рассматриваться в этой главе.

 

Таблица 8-1

Шаги Анализа Модели

Опции Pro/MECHANICA Thermal

Тип модели

3D

2D Axisymmetric

2D Plate

2D Unit Depth

Тип элемента

Solid

Shells

Beams

Connections

Spot Welds

Методы Анализа

Steady Thermal

 

Transient Thermal

 

Методы Сходимости

Multi-Pass Adaptive

Single-Pass Adaptive

Quick Check

 

Исследования конструкции

Standard

Optimization

Sensitivity

 

Меню Thermal

Для перехода в Pro/MECHANICA Thermal выберите Thermal. Как только Pro/MECHANICA запущена, к модели автоматически добавляется система координат, помеченная значком WCS. Она представляет Мировую Декартову Систему Координат (начало в точке 0,0,0). Меню MEC THERMAL, показанное на рисунке 8-3, основное меню Pro/MECHANICA Thermal.

Интерфейс Pro/MECHANICA подобен интерфейсу Pro/ENGINEER.

Рисунок 8-3

 

Опции меню MEC THERMAL описаны в таблице 8-2.

 

Таблица 8-2

Опция

Описание

Model

Эта опция позволяет определять необходимые объекты моделирования (например, тип модели, тепловой нагрузки, материалов и т.п.).

 

Analyses

Эта опция позволяет создавать, редактировать, копировать и удалять анализ.

 

DesignStudies

Эта опция позволяет выбираться или модифицировать исследование проекта.

 

Check Model

Эта опция позволяет проверять достоверность модели прежде, чем будет запущен анализ.

 

Run

Эта опция позволяет запускать и решать одно или более проектных исследований.

 

Results

Этот опция позволяет устанавливать и интерпретировать результаты проектного изучения.

 

 

8.2 Основы Моделирования для Анализа, определением Объектов Моделирования

Второй шаг процесса анализа модели - определить тип модели. Выберите Model из меню MEC THERMAL. Появляется меню THML MODEL, как показано на рисунке 8-4.

Опции меню STRC MODEL называются объектами моделирования.

Рисунок 8-4

 

Опции меню THML MODEL описаны в таблице 8-3.

 

Таблица 8-3

Опция Описание
Model Type

Эта опция позволяет определять тип модели, которую Вы анализируете. Появляется диалоговое окно Model Type, как показано на рисунке 8-5.

 

Рисунок 8-5

 

3D - Тип модели по умолчанию. У него та же функция, как и у 3D типа модели в Pro/MECHANICA Structure. Используйте этот тип модели, когда Вы выполняете анализ на твердотельной модели, когда Вы не должны разместить на модель определённые ограничения, когда для вашего анализа требуется тетраэдрическая сетка или когда идеализация не возможна.

2D Plate - Используйте этот тип модели, когда Вы моделируете тонкую плоскую пластину.

2D Unit Depth - Используйте этот тип модели, когда поток тепла в одном направлении незначительный (то есть, температура изменяется в двух направлениях, но не в трёх).

2D Axisymmetric - Этот тип модели имеет ту же функцию, как и 2D Axisymmetric тип модели в Pro/MECHANICA Structure. Используйте этот тип модели, когда форма модели определена 2D сечением, повёрнутым вокруг оси Y. Используйте осесимметричные модели для анализа труб, валов, колёс, шкивов и других деталей, полученных вращением.

Features

Эта опция позволяет создавать конструктивные элементы моделирования (например, базовые точки, базовые кривые и т.п.), чтобы определять нагрузки, ограничения и объекты. Вы можете выбрать тип конструктивного элемента из меню SIMULAT FEATS, показанного на рисунке 8-6.

 

Рисунок 8-6

 

Idealizations

Эта опция позволяет выбирать элементы, которые могут использоваться для упрощения анализа. Эти элементы названы идеализациями. Идеализации - способ упрощения проекта, заканчивающийся более быстрым конечно-элементным анализом. Эти элементы доступны в меню IDEALIZATIONS, показанном на рисунке 8-7.

 

Рисунок 8-7

 

Current Csys

Эта опция позволяет создавать пользовательскую систему координат для Вашей модели. Вы можете использовать систему координат по умолчанию или можете создать новую систему координат, выбрав Create из меню SIM CSYS SEL и указав позицию на модели. Появляется меню CSYS1 OPTIONS, как показано на рисунке 8-8.

 

Рисунок 8-8

 

Boundary Conditions

Эта опция позволяет создавать, редактировать и удалять термические граничные условия для Вашей модели, чтобы имитировать фактические условия. Например, Вы можете ограничить температуру модели или ограничить тепло, которое течет через модель. Когда Вы выберите New из меню BNDRY CONDS, появляется меню BC TYPES, как показано на рисунке 8–9.

 

Рисунок 8-9

 

Prescr Temp - Эта опция позволяет определять температурные граничные условие для одного или более геометрических объектов. После выбора этой опции и определения объекта, к которому приложена заданная температура, появляется диалоговое окно Prescribed Temperature, как показано на рисунке 8-10, в котором Вы можете определить температуру.

 

Рисунок 8-10

 

Когда жидкость течет по нагретой поверхности, в жидкости создаётся зона, в которой скорость жидкости возрастает от нуля (на поверхности) к конечной величине. Эта зона названа тепловым пограничным слоем. Для назначения теплового пограничного слоя выберите опцию Conv Cond.

Conv Cond - Эта опция позволяет Вам определить линейное конвективное условие теплообмена для одного или более геометрических объектов. После того как Вы выберите эту опцию и укажете объект, на котором создаётся конвекционное условие, появляется диалоговое окно Convection Condition, как показано на рисунке 8-11, в котором Вы можете определить конвекционный коэффициент и среднемассовую температуру.

 

Рисунок 8-11

 

Cyclic Symm - Эта опция позволяет создать ограничение циклической симметрии, с которым Вы можете анализировать сечение модели, которая имитирует поведение целой детали или сборки. После выбора этой опции появляется диалоговое окно Cyclic Constraint, как показано на рисунке 8–12, в котором Вы можете определить ограничение циклической симметрии.

 

Рисунок 8-12

 

Heat Loads

Эта опция позволяет создавать термические нагрузки на Вашей модели, чтобы имитировать фактические условия термической нагрузки. Вы можете также редактировать и удалять нагрузки для анализа. После выбора опции Heat Loads появляется меню HEAT LOADS, как показано на рисунке 8–13.

 

Рисунок 8-13

 

Вы можете создать термическую нагрузку выбрав New, указав объект приложения нагрузки и определив тепловую нагрузку в диалоговом окне Heat Load, показанном на рисунке 8–14. Типы нагрузок, которые Вы можете выбрать, - Total Load и Heat/Time Per Unit Area.

 

Рисунок 8-14

 

Опция Rev Tot Loads вычисляет результирующую тепловую нагрузку на модели.

 

Materials

Эта опция позволяет назначать для модели свойства материала. Вы также можете добавить новые свойства материала к модели и редактировать имеющиеся. Диалоговое окно Materials показан на рисунке 8-15.

 

Рисунок 8-15

 

Matl Orients

Эта опция позволяет устанавливать ориентации материала для поверхностей, твердых тел, объёмов, оболочек, 2D твердотельных объектов и пластин. Диалоговое окно Material Orientations показано на рисунке 8-16.

 

Рисунок 8-16

 

Measures

Эта опция позволяет устанавливать и назначать критерии. Когда Вы выбираете эту опцию, появляется диалоговое окно Measures, как показано на рисунке 8-17. Критерии являются скалярными величинами, которые Вы можете установить, чтобы проверять поведение модели относительно приложенных критериев (например, максимального напряжение Мизеса).

 

Рисунок 8-17

 

Dsgn Controls

Эта опция позволяет определять как изменяются параметры проекта в течение исследований чувствительности и оптимизации. Pro/MECHANICA использует проектные параметры чтобы модифицировать форму модели, достигать целей проекта (например, минимизировать вес модели). Появляется меню DSGN CONTROL, как показано на рисунке 8-18.

 

Рисунок 8-18

 

Tools

Эта опция позволяет давать конструктивному элементу название, подключать к модели примечания, чтобы помогать передавать проектную информацию и установочные параметры.

 

 

Опции панели инструментов Modeling Entity

Вы можете выбрать несколько объектов моделирования на панели инструментов, показанной на рисунке 8-19.

Панель инструментов объектов моделирования может быть настроена с помощью Customize Screen в Pro/ENGINEER.

Рисунок 8-19

 

Типы элементов

После выбора типа модели, Вы можете упростить модель с набором элементов. Этот процесс упрощения назван идеализацией. Элементы, которые доступны для идеализации, зависят от типа модели, которую Вы собираетесь анализировать. Возможно использовать другие типы элементов в той же самой модели (например, объединить твердое тело с балкой и пружинным элементом). Элементы могут включать следующее:

• Твёрдые тела

• Оболочки

• Балки

• Соединения

• Точечная сварка

8.3 Методы Анализа

В Pro/MECHANICA есть два типа термального анализа, которые могут быть выполнены на модели. Вы можете выбрать тип анализа основываясь на типе анализируемой структуры. Выберите Analyses из меню MEC THERMAL и выберите подходящую опцию. Появляется диалоговое окно Analyses со Steady Thermal и Transient Thermal типами анализа, как показано на рисунке 8–20.

 

Рисунок 8-20

 

Steady Thermal

Анализ Steady Thermal вычисляет тепловую реакцию модели на тепловую нагрузку, которая является постоянной и не изменяется по времени. Пример модели, которая требовала бы этого типа анализа, - лопатка турбины, которая вращается паром и производит электричество, потому что она (лопатка) находится под воздействием постоянного давления и температуры.

 

Transient Thermal

Анализ Transient Thermal вычисляет температуры в модели в разное время, поскольку применяется одна или более тепловых нагрузок или заданных температур. Приложение тепловой нагрузки не постоянно и изменяется по времени. Пример модели, которая требовала бы этого типа анализа - нагревающий элемент тостера, поскольку это зависит от времени.

 

Методы Сходимости

Метод p-элемента, описанный в 1-ой главе, позволяет Pro/MECHANICA модифицировать полиномиальный порядок модели пока решение не будет достигнуто с определенной точностью. Три опции сходимости для этого метода такие же, как и методы сходимости в Pro/MECHANICA Structure. Эти опции описаны в таблице 8-4.

Сходимость является процессом повышения качества модели и Pro/MECHANICA пытается решать это.

Таблица 8-4

Опция

Описание

 

Использование

Quick Check

Эта опция прогоняет модель через решающее устройство, чтобы обнаруживать ошибки (например, в ограничениях). Модель прогоняется только однажды для единственного фиксированного низкого полиномиального порядка. Если происходит ошибка, Pro/MECHANICA отображает сообщение об ошибке: Run completed with a fatal error.

 

 

• Используется чтобы видеть, если анализ настроен правильно.

• Используется для генерирования соответствующих элементов.

• Используется для проверки проблемных областей модели.

Single Pass Adaptive

Эта опция прогоняет модель через решающее устройство в низком полиномиальном порядке, оценивает точность решения, модифицирует p-элемент и прогоняет модель через решающее устройство окончательно с увеличением порядка некоторых элементов. Это обеспечивает разумные результаты для моделей, которые решены как ожидалось.

 

 

• Используется для проверки твердотельных элементов сборки.

• Используется для предварительных вычислений.

Multi Pass Adaptive

Эта опция прогоняет модель через решающее устройство с увеличением порядка проблемных элементов при каждом прогоне. Прогоны продолжаются до решения сходимости или до достижения максимального порядка (по умолчанию - 6, максимум - 9). Всегда базируйте свои окончательные выводы на результатах, полученных с использованием этого метода.

 

 

• Используется для проверки балок, оболочек (сборки) и твердотельных элементов (отдельные детали).

• Используется для точного анализа.

Используйте, когда у вас имеется достаточно времени.

 

Исследования конструкции

Изучения проекта позволяют Вам решить набор условий для заданных целей проекта, имитируя ситуацию реального мира. В Pro/MECHANICA Thermal имеется три типа изучения проекта, аналогичных для Pro/MECHANICA Structure. Они описаны в таблице 8-5.

 

Таблица 8-5

Изучение

Описание

Standard

Это изучение вычисляет результаты для анализа или исследований. Для этого изучения Вам нужно определять геометрию, создавать элементы, назначать материальные свойства, установившие нагрузки и ограничения, определять анализ и типы сходимости, затем отображать и просматривать конечные результаты.

 

Sensitivity

Это изучение вычисляет результаты для нескольких различных переменных величин (например, размеров). Это применяет все модификации к модели и вычисляет результаты для промежуточных величин проектных параметров.

 

Optimization

Это изучение подгоняет параметры модели, чтобы достичь точно установленной цели или проверить выполнимость проекта. Для этого изучения Вы определить желаемую цель (например, минимальная масса тела) и одну или более переменные проекта (например, размеры Pro/ENGINEER), которые могут измениться в определенном интервале.

 

 

8.4 Файлы и директории результатов

Pro/MECHANICA генерирует много файлов; файловое управление очень важно, поскольку плохо урегулированная структура директории может провести к неразберихе. Файлы и каталоги Pro/MECHANICA созданы в рабочем каталоге Pro/ENGINEER. Следовательно, это хорошая идея, создать новую поддиректорию для каждой модели, делать её Вашим рабочим каталогом и хранить здесь файл детали. Позиции для временных и выходных файлов могут быть изменены, когда Вы настраиваете изучение проекта. Выходные файловые форматы также могут изменяться, когда Вы настраиваете изучение проекта. Если прогон не прерван преждевременно, все временные файлы удаляются по завершении прогона. Общие файлы и директории показаны в таблице 8-6.

В таблице 8-6 названия model, study и filename представляют определенные Вами названия.

Таблица 8-6

Тип файла

Название Файла/Каталога

Описание

Файлы модели

model.mdb

model.mbk

Файл .mdb содержит последнее сохранение базы данных модели. Файл .mbk - дублирующий файл, который может использоваться, если файл .mdb утерян или повреждён.

 

Машинный файл

/study/study.mdb

Машинный файл содержит всю базу данных модели с момента запуска проектного изучения.

 

Выходные Машинные Файлы

/study/study.cnv

/study/study.hst

/study/study.res

/study/study.rpt

/study/study.stt

/study/study.ter

Файл .cnv содержит информацию сходимости. Файл .hst - дублирующий файл, который корректирует модель в течение оптимизации. Файл .res - критерий при каждом проходе. Файл .rpt - выходной отчет, который содержит информацию о пробеге, включая величины критерия и предупреждающие сообщения. Файл .stt файл содержит информацию, сгенерированную в течение прогона. Файл .ter содержит итоговые данные модели.

 

Файлы обмена

filename.dxf

filename.igs

 

Файлы обмена находятся в форматах, использованных для импорта или экспорта геометрической информации.

 

Временные файлы

/study.tmp/*.tmp

/study.tmp/*.bas

 

Временные файлы содержат данные, которые требуются для решения анализа. Они автоматически удаляются при завершении проекта.

 

Файлы Результатов

filename.rwd

Файлы .rwd хранят окно диаграммы Result Window для последующего использования.

 

Файлы AutoGEM

model.agm

Файлы .agm хранят информацию о самой последней операции AutoGEM.

 

Прочие файлы

mechevent

Эти файлы содержат информацию воспроизведения о Ваших действиях в Pro/MECHANICA.

 

 

Интерпретация Результатов

Pro/MECHANICA может произвести несколько различных типов результатов, которые могут помочь Вам определять обоснованность и правдоподобность модели. Есть несколько соображений, которые следует принять при интерпретации Ваших результатов. Эти соображения рассмотрены в таблице 8-7.

 

Таблица 8-7

Результат

Описание

Проверка Результата

Используйте проверку результата, если модель может быть упрощена для проверки выходного тепла простыми вычислениями, чтобы помочь в процессе проверки. Выходное тепло должно равняться входному теплу, чтобы удовлетворять критерию равновесия. Например, поверхностный набор при постоянной температуре 50° может использоваться для проверки результатов. Температура поверхности должна быть 50° и для результата.

 

Целостность Модели

Целостность вашей модели может быть определена проверкой объектов модели (то есть, свойств материала, ограничений, тепловых нагрузок, системных единиц и т.д.), геометрии и точности детали прежде, чем будет запущен прогон. Вы можете также использовать опцию Check Model, чтобы определить, есть ли какие ошибки в модели. Если модель терпит неудачу при проверке, то вероятно, что объекты модели были определены не правильно.

 

Анимация температуры и потока

Анимация температуры и потока позволяет Вам проверить, что теплопередача в модели происходит как ожидается, замысел корректен и граничные условия установлены правильно. Анимация имитирует эффект условий реального мира на модели и позволяет Вам сравнивать их с приложенными граничными условиями.

 

Анимация Формы

После глобального изучения или изучения оптимизации, анимация формы берет геометрию сквозь полную амплитуду важных параметров. Это гарантирует, что не будет неожиданных отказов регенерации и что цель проекта логична.

 

Качество Вычисленного Решения

Вычислительное качество решения - процент от погрешности, которую система вычисляет на максимуме главного напряжения. Низкий процент указывает, что модель надежная. Эта оценка ошибки может быть обнаружена в файле .rpt в директории анализа.

 

Критерии Сходимости

Сходимость дает Вам представление того, насколько точные результаты. Результаты сходимости с установленными специфическими пределами, установленными пользователем, могут быть обнаружены в файле .rpt. Вы можете также создать диаграммы, основанные на предопределенных критериях, для потенциальной энергии деформации и смещения.

 

 

8.5 Передача Термической Нагрузки

Вы можете передавать температурные нагрузки из термического анализа в структурный анализ и прилагать распределение температуры к термическим нагрузкам в структуре.


Context

Main Paige