Thermo-mechanische Finite Elemente Analyse mit Z88Aurora

Wie in einem vorherigen Artikel (https://fem-helden.de/theorie-thermo-mechanische-finite-elemente-analyse/) erläutert, können mit Z88AuroraV5 stationär thermische Untersuchungen durchgeführt werden. Als Randbedingungen können in diesem Zusammenhang Wärmeströme, Temperaturen und Wärmestromdichten auf Knoten oder Elemente aufgegeben werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit einen konvektiven Wärmeübergang vom Bauteil zur Umgebung zu betrachten. Thermomechanische Simulationen sind auch möglich und werden durch die Vorgabe von mechanischen und thermischen Randbedingungen automatisch ausgeführt.

Im Folgenden wird an einem konkreten Beispiel eine thermo-mechanische Analyse in Z88AuroraV5 durchgeführt. Betrachtet werden soll ein vereinfachtes Rührwerk. Mit Rührwerken werden beispielsweise in der chemischen Industrie Flüssigkeiten durchmischt, um möglichst homogene Fluide zu erhalten, oder aber um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Der betrachtete Rührer ist zirka bis auf die Höhe des Koordinatensystems in eine warme Flüssigkeit getaucht und rührt diese im Uhrzeigersinn um. Normalerweise befindet sich am oberen Ende eines solchen Rührwerks ein Antrieb, welcher aber nicht betrachtet wird. Stattdessen wird vereinfacht angenommen, dass das Rührwerk an der Mantelfläche des Bundes fest eingespannt ist. Vom Wellenstück oberhalb des Bundes soll ein konvektiver Wärmeübergang zur Umgebung bei 23°C stattfinden.

Im Nachfolgenden wird der Modellaufbau in Z88AuroraV5 für den eben beschriebenen Fall skizziert.

1. Modulwechsel: Nachdem ein neues Projekt erstellt und die gewünschte Geometrie importiert und vernetzt wurde, ist es zunächst notwendig in das Berechnungsmodul „stationär thermisch“ zu wechseln. Die Reihenfolge spielt dabei keine Rolle. Es kann genauso gut erst das Modul gewechselt werden und dann die Geometrie importiert werden. Falls Sie Fragen zum Projekterstellen, Import oder Vernetzung haben sollten, dann sei an dieser Stelle auf vorherige Artikel bzw. Videotutorials verwiesen. Bei speziellen Fragen wenden Sie sich einfach an den Z88 Support.

2. Materialzuweisung: Bei den Materialeigenschaften unter dem Reiter „thermisch“ sind für die Temperaturberechnung notwendigen Materialparameter Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeitskoeffizient zu finden. Diese können ebenso wie die anderen Koeffizienten (E-Modul, Querkontraktionszahl, Dichte) beim Anlegen eines neuen Materials vorgegeben werden. Übrigens ist es auch möglich vorhandene Materialien zu kopieren und diese anschließend zu editieren.
   

3. Zuweisen von Randbedingungen: Nachdem das Material zugewiesen und die benötigten Sets erstellt wurden, können die mechanischen und thermischen Randbedingungen zugewiesen werden, wie in nachstehender Abbildung dargestellt wird.

In einem ersten Schritt werden die mechanischen Randbedingungen aufgegeben. Dabei ist zu beachten, dass unter Ansicht das Koordinatensystem-Symbol ausgewählt ist. Standardmäßig ist dies als Vorauswahl bereits aktiv. Um die Einspannung zu realisieren muss das Knotenset der Mantelfläche ausgewählt werden. Da es sich um eine feste Einspannung handelt sind die alle Bewegungs- und Rotationsrichtungen auszuwählen und anschließend die Verschiebungen gleich Null zu setzen. Die Rührbewegung soll durch Kräfte auf die entsprechenden Rührkörperfläche simuliert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Kraftrichtungen stimmen. Zur Orientierung dient das Koordinatensystem.

In einem zweiten Schritt werden die thermischen Randbedingungen definiert. Dazu muss unter Ansicht das Thermometer-Symbol ausgewählt werden. Anschließend können Konvektion und der Wärmestrom aufgegeben werden. In unserem Beispiel werden für die Konvektion unter „Wert“ die Umgebungstemperatur und der Wärmeübergangskoeffizient angegeben. Als Set ist das Oberflächenset im Bereich oberhalb des Bundes zu wählen.

Für den Wärmestrom werden ebenfalls alle Richtungen und Rotationsachsen ausgewählt und anschließend unter „Wert“ die gewünschte Leistung angegeben. Wärmestrom und Konvektion bilden zusammen den gesamten thermischen Lastfall.

4. Simulation und Postprozessor: Der gesamte thermo-mechanische Lastfall wird schließlich mit Hilfe des mehrkernfähigen PARADISO-Solvers nach der Gestaltänderungshypothese gelöst. Im nachstehenden Bild sind alle Randbedingungen, die in diesem Beispiel vorgegeben wurden, dargestellt. Dies ist in Z88Aurora über die entsprechende Schaltfläche „alle anzeigen“ bei der Zuweisung der Randbedingungen möglich.
   

Im Postprozessor kann man sich die durch den Lastfall entstandenen Temperaturverläufe und Verschiebungen ansehen und bewerten.

Auf Basis dieser Simulationsergebnisse kann könnten jetzt die nächsten Schritte in der Produktentwicklung erfolgen. So könnte beispielsweise mit Hohlwellen experimentiert werden oder man bildet die konkrete Lagerung im Antrieb ab. Wir hoffen, euch hat diese kleine Einführung gefallen und ihr könnt dies nun auf eure eigenen Projekte erfolgreich anwenden. Viel Spaß beim Simulieren!