Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis
Version 2001
Глава 8 - Термальный анализ
Упраджнение 8a - Термальный Анализ Установившегося Состояния
Цель
После завершения этого упражнения Вы будете способны:Настраивать и выполнять термальный мультипроходный адаптивный анализНастраивать и выполнять термальный Quick Check анализ
Отображать результаты для каждого анализа
Использовать функцию Load Transfer
В этом упражнении Вы настроите и выполните тепловой анализ установившегося состояния на радиаторе, показанном на рисунке 8-21. Радиатор расположен на 20W центральном процессоре (источник нагрева) и естественная конвекция помещена на длинных вертикальных рёбрах. Радиатор изготовлен из алюминия и имеет коэффициент конвекции 0.01 (lbf/in F° sec). Наконец, Вы передадите тепловую нагрузку в режим Structure для выполнения статического анализа.
Рисунок 8-21
Задачи Моделирования
Задание 1: Открытие детали heat_device в Pro/ENGINEER.
1. Откройте файл heat_device.prt. Деталь показана на рисунке 8-22.
Рисунок 8-22
2. Убедитесь, что выбрана система единиц IPS.
Задание 2: Запуск Pro/MECHANICA.
1. Выберите Applications > Mechanica. Открывается диалоговое окно Unit Info.
2. Выберите Thermal. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 8-23.
Рисунок 8-23
Задание 3: Определение типа модели.
1. Выберите Model > Model Type. Выберите
3D в диалоговом окне Model Type и нажмите кнопку 
.
Задание 4: Применение тепловых нагрузок.
В этой задаче Вы примените тепловую нагрузку к нижней поверхности радиатора, как показано на рисунке 8-24.
Модель на рисунке 8-24 переориентирована для ясности.
Рисунок 8-24
2. Выберите Heat Loads > New > Surface из меню THML MODEL или нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Heat Load, как показано на рисунке 8-25.
Рисунок 8-25
3. Напечатайте [endload] в поле Name. Одобрите предлагаемую по умолчанию опцию для Member of Set, ThermalLoadSet1.
Для создания новой нагрузки нажмите иконку
.
4. Нажмите кнопку
Surface(s) 
в секции
References и выберите поверхность, как показано на рисунке 8-24.
5. Примите опции по умолчанию из раскрывающихся меню Distribution и Spatial Variation.
14.75lbf in/sec = 20Watt.
6. Введите [14.75] в поле Q.
7. Нажмите кнопку 
для просмотра приложенной тепловой нагрузки.
8. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 8-26.
Рисунок 8-26
9. Выберите Done/Return для завершения приложения тепловой нагрузки.
Задание 5: Применение граничных условий.
Предположите, что конвекция на меньших поверхностях незначительна.
В этой задаче Вы примените граничные условия к длинным вертикальным граням рёбер, как показано на рисунке 8-27.
Рисунок 8-27
1. Выберите Bndry Conds > New > Conv Cond > Surface или нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Convection Condition, как показано на рисунке 8-28.
Рисунок 8-28
2. Напечатайте [long_face] в поле Name. Одобрите предлагаемую по умолчанию опцию для Member of Set, BndryCondSet1.
Для создания новой нагрузки нажмите иконку
.
3. Нажмите кнопку
Surface 
в секции
Surface(s) и выберите все вертикальные поверхности. Выберите Done Sel.
4. Напечатайте [0.01] в поле Convection Coefficient.
5. Напечатайте [80] в поле Bulk Temperature.
6. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 8-29.
Рисунок 8-29
7. Выберите Done/Return для завершения.
Задание 6: Применение материала.
1. Назначьте AL2014 для детали радиатора.
Заключение
В предыдущих задачах Вы создавали объекты моделирования, требуемые для анализа модели. Затем Вы установите тип анализа, метод сходимости и запустите анализ.
Задачи Анализа
Задание 7: Настройка анализа и проверка обоснованности модели.
В этой задаче Вы определите тип анализа и метод сходимости. Сначала модель анализируется с использованием опции сходимости Quick Check для проверки на наличие ошибок.
1. Настройте анализ с помощью опций Steady Thermal и Quick Check.
2. Введите [heat_device] в качестве названия анализа.
3. Проверьте обоснованность модели.
Задание 8: Запуск анализа.
В этой задаче Вы выполните анализ Quick Check для обнаружения ошибок, затем выполните Multi-Pass анализ.
1. Прогоните анализ с опцией сходимости Quick Check и проверьте на наличие ошибок. Анализ Quick Check завершён без ошибок.
Установите Polynomial Order на 9, Percent Convergence на 10, а анализ на Converges on Local Temperature и Local Energy Norms.
2. Прогоните анализ с опцией сходимости Multi-Pass. Следующие результаты появляются в диалоговом окне Summary:
• Анализ сходится на втором проходе.
• Ошибка напряжения - 15.8% от Max Flux, как показано на рисунке 8–30. Эта величина (15.8 %) - указывает то, насколько сомнительный результат выдаёт Pro/MECHANICA. Это не самая хорошая идея, принять больше чем 5 % - 10 % величины Max Flux.
Рисунок 8-30
• Обратите внимание на максимальную температуру (257.8F°) и минимальную температуру (257.2F°) в секции Measure диалогового окна Summary.
Задачи по обработке результатов
Задание 9: Отображение результатов
В этой задаче Вы создадите и отобразите диаграмму температур для одной из вертикальных поверхностей.
1. Выберите Results и нажмите кнопку 
для сохранения текущей модели. Открывается диалоговое окно
Untitled Result Window.
2. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Create Result Window, как показано на рисунке 8-31.
Рисунок 8-31
3. Нажмите кнопку 
для одобрения названия окна по умолчанию -
window1. Открывается диалоговое окно Design Study for Result Window "window1".
В диалоговом окне RUN Settings Вы указали, где должны быть сохранены все выходные файлы.
4. Найдите изучение
heat_device и нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Define Contents for Result Window "window1", как показано на рисунке 8–32.
Рисунок 8-32
Поле Feature Angle отображает кромки элементов в окне отображения в интервале от 0 до 45°. Когда установлено значение 0°, кромки элементов полностью отображены, а когда установлено 45°, кромки элементов не отображаются.
5. Выберите Surfaces из раскрывающегося меню
Location и нажмите кнопку 
.
6. Выберите одну из длинных вертикальных поверхностей на heat_device.
7. Напечатайте [0] в поле Feature Angle.
8. Нажмите кнопку 
. Появляется окно
"window1", как показано на рисунке 8-33.
Используйте опцию View > Spin/Pan/Zoom > Isometric для ориентации диаграммы, как показано на рисунке 8–33.
Рисунок 8-33
Чем выше температурный градиент, тем выше передача тепла.
Температурный градиент очень небольшой (0.6F°), а температура по всей поверхности слишком высока. Эти результаты поясняют, отдачи тепла через радиатор не достаточно, чтобы охладить центральный процессор. Возможные решения включают или принудительную конвекцию посредством вентилятора, или другой радиатор с большим количеством рёбер и более высокими рёбрами. Для второго решения быть полезно изучение чувствительности. Конвекционный коэффициент также можно увеличить вводя шероховатость поверхности на рёбрах heat_device, чтобы увеличить турбулентность.
9. Выберите Done/Return из меню SHOW CTL для возврата в меню MEC THERMAL.
Задание 10: Передача нагрузок из thermal в structure.
В этой задаче Вы передадите температурное распределение из термического анализа в структурный анализ и примените термическую нагрузку в режиме Structure.
1. Выберите Heat Loads > Edit и нажмите иконку Heat Load. Открывается диалоговое окно Heat Load, как показано на рисунке 8-34.
Рисунок 8-34
2. Введите [100] в поле
Q и нажмите кнопку 
.
3. Выберите Done/Return.
4. Выберите Bndry Conds > Edit и нажмите кнопку Bndry Conds. Открывается диалоговое окно Convection Condition, как показано на рисунке 8-35.
Рисунок 8-35
Поверхности без Конвекционного Коэффициента являются адиабатическими, это означает, что они не передают никакой энергии.
5. Нажмите кнопку
Surface(s) 
в секции
References и выберите все поверхности heat_device, кроме нижней поверхности, к которой приложена тепловая нагрузка.
6. Напечатайте [10] в поле Convection Coefficient.
7. Введите [100] в поле
Bulk Temperature и нажмите кнопку 
.
8. Выберите Done/Return.
9. Настройте анализ с помощью опций Steady Thermal и Quick Check.
10. Введите [heat_transfer] в качестве названия анализа.
11. Выберите Done/Return из меню MEC THERMAL.
12. Выберите Structure из меню MECHANICA.
13. Выберите Loads > New.
14. Выберите Temperature > MEC/T Temp. Открывается диалоговое окно MECT Temperature, как показано на рисунке 8-36.
Рисунок 8-36
15. Напечатайте [transfer] в поле Name.
16. Примите опцию по умолчанию в раскрывающемся меню Member of Set.
17. Убедитесь, что выбрана опция Use previous design study.
18. Выберите [heat_transfer] из раскрывающегося меню Design Study.
19. Выберите [heat_transfer] из раскрывающегося меню Analysis.
20. Нажмите кнопку 
. На
детали появляется иконка MECT, как показано на рисунке 8–37.
Рисунок 8-37
21. Выберите Done\Return.
Задание 11: Применение ограничений.
Ваша модель должна быть свободна для расширения в любом направлении; тем не менее, для статического анализа Вам нужно ограничивать модель корректно, чтобы получать сходимость. Эта задача позволит Вам достичь эти цели.
1. Создайте три базовые точки, как имитационные конструктивные элементы, с помощью опции Datum Point из меню SIMULAT FEATS, как показано на рисунке 8–38 (базовые точки расположены на плоскости XZ).
Рисунок 8-38
2. Выберите Done\Return.
Дайте названия ограничениям PNT0, PNT1 и PNT2 и помните, они будут членами ConstraintSet1.
3. Ограничьте PNT0 от всех перемещений и освободите её для всех вращений.
4. Ограничьте PNT1 от перемещений по Y и Z и освободите для перемещения по X (расширение в направлении X), дайте свободу для всех вращений.
5. Ограничьте PNT2 для перемещения только по Y (чтобы исключить вращение в направлении X и позволить расширение на плоскости XZ). Модель теперь выглядит как показано на рисунке 8-39.
Рисунок 8-39
6. Выберите Done\Return.
7. Установите статический анализ с опцией сходимости Quick Check.
8. Введите [heat_structure] в качестве названия анализа.
9. Выполните [heat_transfer] анализ.
10. Выполните [heat_structure] анализ.
Задание 12: Отображение результатов.
В этой задаче Вы создадите и отобразите две диаграммы интерференционной полосы: одну для смещения и одну для эквивалентных напряжений по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса).
1. Диаграмма для смещений показана на рисунке 8-40.
Рисунок 8-40
Обратите внимание на синий цвет около PNT0, где модель полностью ограничена, и на красный цвет по диагонали напротив, где происходит наибольшее расширение. Это показывает, что модель свободно расширяется от PNT0.
2. Диаграмма интерференционной полосы для эквивалентных напряжений по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса) показана на рисунке 8-41.
Рисунок 8-41
Обратите внимание на области напряжения Мизеса (красного цвета) на небольших скруглениях у основания рёбер, что является следствием расширения модели.
3. Сохраните модель и закройте окно.