Решить поставленную задачу, т.е. найти температурное поле тела и количество переданной теплоты, можно несколькими способами: аналитически, с помощью тепловых схем замещения, различными методами аналогии, численными методами и др. Программный пакет ANSYS основан на методе конечных элементов (МКЭ). Этот метод представляет собой эффективный численный метод решения инженерных и физических задач. Основная идея метода заключается в том, что любую непрерывную величину, такую как температура, давление и перемещение, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна, и нужно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. При построении дискретной модели поступают следующим образом:
1.В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек (узлов); Значение искомой непрерывной величины в каждом узле считается переменной, которая должна быть определена.
2.Область разбивается на конечное число подобластей (элементов), которые имеют общие узлы.
3.Для каждого элемента определяется дифференциальное уравнение исходя из непрерывности искомой величины вдоль границ элемента.
Затем решается система дифференциальных уравнений и ее решения соотносятся с условиями однозначности.
Цель работы:провести нестационарный анализ воздействия теплового потока на брусок с отверстиями.
3. Выберите удобную систему единиц: Unit→ Unit Sistems…→ Metric (kg, mm, s, ºC, mA, N, mV)
4. Выберите тип задачи: Toolbox (панель слева) → Transient Thermal (ANSYS) и перетащите ее на рабочее поле проекта.
5. Создайте список материалов, которые будут использоваться в задаче: в списке шагов задачи выберите Engineering Data, откройте. В верхнем окне Outline Filter выберите General Material, в следующем окне Outline of Schematic A2: Engineering Data напротив материала Stainless Steel (нержавеющая сталь) нажмите знак «+». Добавьте также медь (Copper Alloy) и титан (Titanium Alloy). Выйдите обратно в рабочее поле: Панель инструментов → Return to Project.
6. Задайте свойства геометрии модели: в списке шагов задачи выберите Geometry, в панели свойств (справа) снимите галочку Solid Bodies, выберите Analysis Type 2D.
7. Создание модели
Создайте плоско-параллельную двухмерную модель бруска с двумя отверстиями.
Для этого откройте Geometry. Создайте эскиз на плоскости XY (панель инструментов New Sketch).
Перейдите с вкладки Modeling на вкладку Sketching
Создайте прямоугольник (Rectangle) размером 60х20 мм.
Постройте два шестиугольника с ребром 6 мм как показано на рисунке.
Снова откройте вкладку Modeling. Выберите в меню Concept → Surfaces from Sketches, выберите созданный эскиз в дереве построений и нажмите Generate (на панели инструментов). Получилась поверхность* с отверстиями.
*)Эта модель является поперечным разрезом бруска, который мы рассматриваем. Каждое ребро модели – это поверхность объемного бруска.
Закройте Design Modeler и вернитесь в рабочее поле проекта.
8. Построение сетки
Откройте следующий шаг задачи – Model.
В дереве проекта выберите Mesh (Сетка), нажмите UpDate чтобы просмотреть сетку, построенную Workbench автоматически. Чтобы проверить качество построенной сетки, в окне Details of Mesh выберите Statistics → Mesh Metric → Skewness (асимметрия). На графике должно быть видно следующее:
Следующий шаг: Statistics → Mesh Metric → Element Quality.
Изменить параметры сетки можно в окне Details of Mesh, Sizing → Relevance Centre → Medium. Сетка будет более мелкой, а результаты расчета - более точными, при этом время расчета увеличится. После изменения параметров сетку необходимо обновить.
9. Задание граничных условий
Выберите материал модели: дерево проекта → Geometry → Surface Body, Details of Surface Body → Material → Stainless Steel.
В дереве проекта выберите Transient Thermal.
Значение Initial Temperature (исходная температура) оставьте по умолчанию 22ºС.
Затем Analysis Settings → Step Controls → Number of steps = 10.
На панели инструментов выберите Heat → Heat Flow (тепловой поток). В окне Details of Heat Flow выберите пункт Geometry и укажите ребро (ребра: Ctrl) созданной модели, на которое воздействует тепловой поток (ребра одного шестиугольного отверстия) → Apply. В таблице справа в графе Heat Flow [W] введите значения теплового потока по шагам:
На панели инструментов выберите Convection. В окне Details of Convection → пункт Geometry, выберите ребра, с которых отводится тепло с помощью конвекции → Apply.
В пункте Film coefficient (коэффициент теплоотдачи) введите значение 15e-6 Вт/мм2·ºС.
На панели инструментов выберите Radiation. В окне Details of Radiation → пункт Geometry, выберите ребра, с которых отводится тепло с помощью излучения → Apply. В пункте Correlation поставить To Ambient (в окружающую среду). Коэффициент излучения (Emissivity) для стали равен 0,85.
10. Решение и просмотр результатов
В дереве проекта выберите Solution. На панели инструментов выберите Thermal → Temperature. Затем Probe → Temperature и, кликнув пункт Geometry (окно Detail of Temperature Probe), укажите ребро или точку, температуру которого вы хотели бы проследить в зависимости от времени.
На панели инструментов нажмите Solve. Просмотреть полученные результаты можно, нажав в дереве проектов Solution → Temperature и Temperature Probe.
Просмотреть процесс во времени можно воспользовавшись панелью над графиком (Animation), там же можно экспортировать результат в видео-файл.
Экспортировать таблицы полученных расчетных данных можно, нажав правой кнопкой мыши на один из результатов (например, Temperature) и выбрать в выпавшем меню Export.
Задание:
Вар.1.
Увеличьте тепловую нагрузку в 2 раза. Что изменилось?
Произведите расчет с измененной геометрией модели (расположите отверстия ближе друг к другу, уменьшите ширину бруска) и предыдущей величиной теплового потока. Проанализируйте полученные результаты.
Вар.2.
Измените материал модели (дерево проекта → Geometry → Surface Body, Details of Surface Body → Material → Copper Alloy, Titanium Alloy). Коэффициенты излучения: εмеди = 0,05; εтитана = 0,19. Проанализируйте полученные результаты.
Вар.3. Измените место приложения тепловой нагрузки (на внешнее ребро пластины) и ребра, с которых отводится тепло. Установите число шагов расчета = 20. Установите тепловую нагрузку 15 Вт в течение первых 10 секунд. За какое время температура равномерно распределится по всему телу модели?
Вар.4. Измените место приложения тепловой нагрузки (на ребра двух шестиугольных отверстий) и ребра с которых отводится тепло. Установите число шагов расчета = 20. Установите тепловую нагрузку 50 Вт в течение первых 7 секунд. За какое время температура равномерно распределится по всему телу модели?
Содержание отчета:
1. Цель работы
2. Постановка задачи (геометрия, граничные условия)
