Александр Чернов, ЗАО «EMT Р»

В расчетном модуле DesignSimulation (DS) на платформе Workbench реализованы возможности по расчету температурного состояния, соответствующие используе­мому типу лицензии ANSYS.

Можно выделить следующие особенности рабо­ты в расчетном модуле DS:

  • использование средств работы, доступных через стандартные опции графического ин­терфейса;
  • применение макросов, написанных на язы­ке JPDL (JScript Parametric Design Language) с использованием процедур и команд APDL (ANSYS Parametric Design Language);
  • вставка в соответствующий раздел дерева проекта объектов типа Commands, содержа­щих команды на APDL.

Расчетный модуль DS позволяет решать задачи стационарной теплопроводности (тепло­передачи) в твердом теле (Static), а также зада­чи нестационарного теплообмена (Transient).

При нестационарном расчете используются следующие начальные условия (Initial Condition):

  • равномерная температура по всему телу (UniformTemperature), задаваемая пользова­телем. По умолчанию значение этой темпе­ратуры соответствует температуре, указанной в ReferenceTemperature;
  • неравномерное температурное поле (Non- uniform), которое является результатом расчета стационарного поля температур модели (Thermal Steady State).

Граничные условия на поверхности модели могут быть заданы несколькими способами:

  • непосредственное указание геометрических объектов в графическом окне в режиме вы­бора (ScopingMethod);
  • с использованием так называемой имено­ванной группы выбора (NamedSelection), ко­торая создается с помощью средств панели инструментов NamedSelectionToolbar;
  • в объектах Commandsгеометрические эле­менты, соответствующие именованной группе, выбираются посредством команды CMSELвстроенного языка ADPL.

При этом следует помнить, что в случае создания именованной группы для таких гео­метрических объектов, как вершины, ребра и по­верхности, граничные условия будут применены к узлам, принадлежащим этим объектам, а при выборе оболочечных деталей, балочных дета­лей и тел — к элементам.

Расчет температурного состояния может быть выполнен в DS как в двумерной (2D), так и в трехмерной (3D) постановке. Указание типа расчета осуществляется в окне проекта при вы­боре файла геометрии. Это может быть файл CAD-модели или файл одного из стандартов геометрических данных (Parasolid, IGES, STEP и др.), а также файл модуля DesignModeler.

Отметим, что для построения расчетной модели для плоских деформаций (Plain Strain) данных 2D-анализа недостаточно, поскольку эта формулировка подразумевает нулевые дефор­мации в направлении оси Z глобальной системы координат.

Для расчета напряженно-деформированно­го состояния конструкции необходимо задать как минимум одно граничное условие (равномерную температуру расчетной конструкции), чтобы мож­но было учесть тепловое расширение материала.

В модуле работы с базой данных матери­алов Engineering Data можно задавать температурно-зависимыми следующие свойства мате­риалов: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, коэффициент температурного расширения, удельную теплоемкость и теплопроводность.

Поскольку при расчете термонапряженного состояния конструкции (Thermal-stress analysis) в DS не используются связанные элементы (coupled-field element), то этот расчет выполняет­ся в два этапа: сначала применяются тепловые элементы для расчета температурного состоя­ния, а затем вычисленные температуры переда­ются элементам объемного НДС.

Для расчета температурного состояния твердотельных моделей используются элементы SOLID87 (тетраэдр с десятью узлами) и SOLID90 (гексаэдр с двадцатью узлами). Основным оболочечным элементом (генерируемым по умолча­нию) для задач теплообмена в DS является эле­мент SHELL57, который не учитывает изменение температуры по толщине элемента. Зато он мо­жет учитывать теплопроводность в плоскости и конвекцию из плоскости. Поэтому, например, для задания различной конвекции с обеих сто­рон необходимо использовать команды ADPL.

При расчете стержневых тел (line bodies) применяются элементы с узлами LINK33. Они не учитывают неоднородность температуры в поперечном сечении (принято, что температура одинакова в любой точке сечения). Для стержне­вых тел при расчете температурного состояния нельзя получить значения удельного теплового потока.

В DS отсутствуют стандартные средст­ва для расчета лучистого теплообмена между твердыми телами. В текущей версии можно мо­делировать только излучение нагретого тела в окружающую среду. В этом случае уравнение для лучистого потока имеет вид:

где TSurface — температура поверхности тела; TAmbient — температура окружающей среды; ко­эффициент облученности равен 1.

Коэффициент теплоотдачи (для вынужден­ной конвекции) в DS можно задавать в виде пос тоянной величины или как функцию от темпе­ратуры. В последнем случае под температурой понимают или разность между поверхностной и среднемассовой температурами (Difference of Surface and Bulk Temperatures), или среднее (значение) между поверхностной и среднемассовой температурами (Average of Surface and Bulk Temperatures), или просто температуру по­верхности (Surface Temperature).

Для задания температурно-зависимого ко­эффициента теплоотдачи необходимо использо­вать модуль Engineering Data.

Кроме того, можно задать на поверхности объекта тепловой поток (Heat Flow) и постоян­ную температуру (Given Temperature) или ис­пользовать внутренний источник тепла (Internal Heat Generation).

Тепловой поток в контакте передается меж­ду поверхностями посредством контактных эле­ментов CONTACT и TARGET (по нормали к по­верхности контакта). В панели Details of «Contact Region» можно задать значение контактного тер­мического сопротивления Thermal Conductance.

Таким образом, в расчетном модуле DS среды Workbench можно решать самые разнооб­разные задачи теплообмена с использованием всех типов граничных условий.