2 - 2006

Решение задач теплообмена в ANSYS Workbench

Александр Чернов

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:

•  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 (Uniform Temperature), задаваемая пользователем. По умолчанию значение этой температуры соответствует температуре окружающей среды (Reference Temperature);

•  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 (Scoping Method);

•  с использованием так называемой именованной группы выбора (Named Selection), которая создается с помощью средств панели инструментов Named Selection Toolbar;

•  в объектах Commands геометрические элементы, соответствующие именованной группе, выбираются посредством команды CMSEL встроенного языка ADPL.

При этом следует помнить, что при создании 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 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 применяются 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 постоянной величины или как функцию от температуры. В последнем случае под температурой понимают или разность между поверхностной температурой и среднемассовой (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.

Можете также 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.

САПР и графика 2`2006