Тепловые расчеты в среде T-FLEX Анализ
Мы продолжаем знакомить читателей журнала «САПР и графика» с возможностями интегрированной системы конечно-элементных расчетов T-FLEX Анализ. В предыдущих статьях (см. «САПР и графика» № 9, 10 и 11’2004, № 5’2005) рассказывалось о системе в целом и о расчетных модулях системы для решения задач статического, частотного расчетов и анализа устойчивости конструкций в частности. В данной статье речь пойдет об использовании приложения T-FLEX Анализ для решения задач оценки тепловых режимов конструкций.
Изделия, требующие оценки теплового режима, весьма разнообразны — это и тепловые двигатели, и различные электрические устройства, выделяющие полезную или побочную тепловую энергию, и специализированные термические установки (печи, холодильники и т.п.). Как правило, перед разработчиком ставится задача оценки температурных режимов поведения отдельных элементов изделия или конструкции в целом. Другими словами, необходимо определить температуры, возникающие в изделии при воздействии приложенных к системе источников тепловой энергии. Модуль тепловых расчетов T-FLEX Анализа предоставляет полный набор инструментов для решения оценки теплового поведения конструкций в конечно-элементной постановке.
Алгоритм работы с модулем теплового анализа прост и в целом напоминает работу с другими расчетными модулями T-FLEX Анализа для осуществления механических расчетов. Как мы уже отмечали в предыдущих статьях, T-FLEX Анализ глубоко интегрирован в среду геометрического моделирования T-FLEX CAD российской компании «Топ Системы» (www.topsystems.ru). Все этапы моделирования выполняются непосредственно в среде T-FLEX CAD в привычном для пользователя интерфейсе. Для выполнения расчетов необходимо иметь трехмерную модель изделия, построенную непосредственно в системе трехмерного моделирования T-FLEX CAD или импортированную в систему с помощью средств импорта моделей.
По аналогии с предыдущими нашими статьями о системе T-FLEX Анализ, проиллюстрируем работу с модулем тепловых расчетов на конкретном примере. Необходимо оценить эффективность пассивного радиатора охлаждения полупроводникового электронного устройства с максимальной рассеиваемой мощностью 15 Вт. Допустимая температура корпуса микросхемы составляет 75 °С в диапазоне температур окружающей среды от 0 до 55 °С. Для охлаждения устройства используется радиатор из алюминиевого сплава, закрепляемый на верхней части корпуса микросхемы.
Шаг 1. Создание «Задачи», сетки, назначение материала. На первом этапе конечно-элементного моделирования в T-FLEX CAD создается специальный объект «Задача» (рис. 1), при этом определяется ее тип «Тепловой анализ» и выбираются тела трехмерной модели, которые будут участвовать в расчете. T-FLEX Анализ поддерживает работу со сборками, поэтому в механическом или тепловом расчете могут участвовать различные детали сборочной конструкции. При этом, конечно, учитываются различные физические свойства материалов деталей, а также, при необходимости, определяются дополнительные граничные условия в области контакта твердых тел. Отметим также, что для создания расчета используется текущая рабочая модель T-FLEX CAD, которая может содержать оформленные проекции, спецификации, траектории ЧПУ-обработки и другую проектную информацию. Другими словами, для того чтобы осуществить конечно-элементное моделирование тепловой или механической задачи, нет необходимости специально строить модель, поскольку можно воспользоваться уже имеющейся трехмерную моделью, построенной на этапе проектирования изделия.
После создания задачи автоматически вызывается команда построения конечно-элементной сетки из тетраэдральных элементов (рис. 2). Тетраэдры аппроксимируют геометрию модели и используются для построения математической модели исходной конструкции. При создании сетки пользователь имеет возможность определить ее различные параметры: степень дискретизации, гладкость, локальные сгущения сетки и т.п. В случае сложной пространственной конфигурации изделий конечно-элементная сетка может существенным образом влиять на качество получаемых решений. При анализе теплопроводности, как и в механических расчетах, полезно провести несколько расчетов с плавно изменяющимися уровнями дискретизации конечно-элементной сетки. Если значения рассчитанных температур перестают заметно меняться при использовании более подробной сетки, дальнейшее увеличение степени дискретизации представляется нерациональным.
Кроме конечно-элементной сетки, необходимо определить параметры материала изделия. По умолчанию в расчете используются характеристики материала «С операции», то есть свойства материала автоматически берутся из твердотельной модели детали изделия. Этот режим особенно удобно использовать, если в расчете участвуют тела из разных материалов в составе сборочных моделей. В нашем случае при создании модели радиатора был определен материал «Алюминий», физико-химические свойства которого содержатся в базе T-FLEX CAD.
Шаг 2. Наложение граничных условий. Для успешного решения задачи анализа теплопроводности в конечно-элементной постановке помимо создания конечно-элементной сетки необходимо корректно определить тепловые нагрузки, являющиеся в данном случае граничными условиями. Для задания тепловых нагрузок в T-FLEX Анализе предусмотрен набор специализированных команд: «Температура», «Тепловой поток», «Конвективный теплообмен», «Тепловая мощность», «Излучение» (рис. 3). Зададим для нашей модели тепловые нагружения. К контактной поверхности радиатора и микросхемы приложим нагрузку «Тепловая мощность» (рис. 4), а на внешних теплоотводящих поверхностях определим граничное условие «Конвективный теплообмен» с температурой конвекции, зависящей от температуры окружающей среды (рис. 5). Теоретически в любом тепловом процессе происходит также теплообмен за счет излучения. Однако в нашем случае учетом теплообмена за счет взаимного и окружающего излучения можно пренебречь, поскольку его влияние на ожидаемых температурах (десятки градусов) пренебрежимо мало. Выполнив команды построения конечно-элементной сетки и задания тепловых нагрузок, мы получаем готовую к расчету конечно-элементную модель (рис. 6).
Шаг 3. Выполнение расчета и анализ результатов. После построения конечно-элементной сетки и наложения граничных условий можно приступить непосредственно к решению поставленной задачи оценки эффективности системы охлаждения. Перед проведением расчета температур (рис. 7) остановимся на следующем обстоятельстве — в T-FLEX Анализе задача теплопроводности имеет две возможные постановки:
• стационарная теплопроводность — осуществляется расчет установившихся («стационарных») температурных полей конструкции под действием приложенных тепловых граничных условий. Другими словами, подразумевается, что тепловые нагрузки действуют неопределенно долгое время, система пришла в равновесное состояние и температурные поля не изменяются во времени — в каждой точке системы температура имеет свое установившееся значение;
• нестационарная теплопроводность — расчет температурных полей конструкции осуществляется в зависимости от времени. Другими словами, температурные нагрузки были приложены относительно недавно и в системе происходит активное перераспределение температурных полей — переходный процесс. Такая ситуация наблюдается, когда тело подвергается нагреву или охлаждению, то есть когда его температура изменяется с течением времени.
В системе T-FLEX Анализ имеется специальный диалог, позволяющий задать тип и свойства температурного расчета (рис. 8), в котором пользователь может определить тип расчета (стационарный или нестационарный), а также задать дополнительные свойства нестационарного расчета. В качестве таких дополнительных свойств устанавливаются: временн о й интервал моделирования, временной шаг, начальные температуры модели, соответствующие нулевому моменту начала температурного моделирования.
Проведем для проверки работоспособности радиатора расчет установившегося температурного поля радиатора (см. рис. 7). Список результатов расчета отображается в окне «Дерева задач» и открывается с помощью контекстного меню в окне визуализатора. Максимальная температура по результатам теплового расчета составляет 41,9 °С при температуре конвекции 25 °С и 71,9 °С при температуре конвекции 55 °С. Таким образом, радиатор обеспечивает требуемый температурный режим устройства во всем заданном режиме температур его эксплуатации. Оценим теперь время, необходимое для остывания устройства после длительной работы. Для этого создадим копию исходной задачи предыдущего теплового расчета и на закладке свойств теплового расчета установим режим «Нестационарный процесс» (см. рис. 8). Зададим параметры временн о го анализа: время моделирования — 30 мин, шаг моделирования — 0,25 мин. В качестве начальной температуры модели установим результат предыдущего стационарного расчета радиатора. Откорректируем также граничные условия, удалив из задачи «Охлаждение» источник тепла — нагрузку «Тепловая мощность». После этого проведем расчет и проанализируем полученные результаты. В отличие от стационарного теплового расчета, в котором фигурирует один главный результат — установившаяся в системе температура, в результате нестационарного расчета получаем температурные поля в различные моменты времени в пределах заданного временн о го интервала. Для просмотра таких результатов в T-FLEX Анализе имеется специальный удобный инструмент в виде плавающей панели, позволяющей интерактивно перемещаться по всему массиву результатов, максимально быстро переключаясь в интересующий момент времени (рис. 9). С помощью этих инструментов легко увидеть, что практически полное остывание произойдет примерно через 20 мин после выключения устройства.
Шаг 4. Генерация отчета по результатам расчета. Пользователь может анализировать результаты расчета не только с помощью постпроцессора, встроенного в T-FLEX CAD — системе T-FLEX Анализ предусмотрена специальная возможность создания независимого электронного документа в html -формате, содержащего сведения о рассчитанной задаче с эпюрами результатов (рис. 10). Этот отчет можно передать независимым партнерам или сохранить в архиве для последующего изучения.
Таким образом, мы проиллюстрировали основные моменты работы с модулем тепловых расчетов T-FLEX Анализ.
Отметим еще одну важную функциональность системы T-FLEX Анализ. Во многих практических случаях возникает потребность в учете температурных воздействий при механических расчетах — так называемая задача термоупругости. Действительно, известно, что тела изменяют свои размеры в зависимости от температуры. При этом в механической системе могут возникать температурные деформации и вызываемые ими напряжения. Расчет подобных режимов поддерживается в модуле статических расчетов T-FLEX Анализ. При выполнении статических прочностных расчетов пользователь может назначать температуры элементов модели или деталей сборки для учета вносимых в систему термоупругих эффектов. Кроме непосредственного задания температур для расчета, пользователь в качестве исходных температурных полей может воспользоваться результатами предварительно проведенного теплового расчета. Для этого в диалоге задания свойств термоупругости в модуле статических расчетов пользователь может указать в качестве расчетной температуры результаты теплового расчета (рис. 11). В результате статический расчет будет учитывать влияние температурных полей на деформации конструкции (рис. 12).
Таким образом, модуль тепловых расчетов T-FLEX Анализ позволяет пользователям T-FLEX CAD осуществлять различные тепловые расчеты проектируемых конструкций в привычной для пользователя программной среде. Преимущества такого интегрированного решения очевидны:
• минимизированы затраты времени на ввод информации об изделии в систему конечно-элементного анализа;
• отсутствуют возможные погрешности экспорта-импорта моделей через универсальные обменные форматы или погрешности повторного ручного ввода, так как модель передается для осуществления расчетов максимально точно;
• сохраняется ассоциативная связь расчетной математической модели и электронной объемной модели изделия за счет прямой программной интеграции. То есть пользователь может изменить размеры анализируемого изделия, обновить КЭ-модель и сразу же получить актуальные результаты расчета. При этом ему не понадобится повторно осуществлять ввод геометрии, экспорт-импорт, задание граничных условий и т.п. Очевидно, что это очень удобно для пользователя и позволяет в короткие сроки просчитать несколько вариантов и выбрать из них оптимальный.
В следующих статьях мы предполагаем ознакомить читателей журнала «САПР и графика» с возможностями конечно-элементных расчетов сборочных конструкций в системе T-FLEX Анализ.
