FEM-Analyse einer Konsole mit
Konvektion
und Temperaturlast
Eine Konsole wird an seinen
Außenflächen mit heißer Luft umströmt und an den Innenflächen mit kalter Luft
abgekühlt.
Berechnen Sie die
Temperaturverteilung mit MEANS V8 und dem Zusatzmodul TEMPERATUR sowie
anschließend
die Wärmespannungen mit der
STATIK-Grundversion und einer Temperaturbelastung.
Rechenlauf Temperatur einstellen
Wählen Sie zuerst das Menü
„FEM-Analyse“ und „Temperatur“ um MEANS V8 vom Statik- auf Temperatur-Rechenablauf
umzustellen.
Flächenmodell erzeugen
Wählen Sie das Menü „Flächen und
Kanten erzeugen“ um das Modell in seine Flächen zu zerlegen. Die Flächen werden
zur Erzeugung der Konvektionsflächen benötigt.
Für das Modell stellen Sie bitte „normale Flächen“ ein und erzeugen das
Flächenmodell.
Das Flächenmodell besteht nun aus 75
Surface-Flächen. Die einzelnen Flächen können mit der Maus selektiert werden,
wobei die berührte Fläche immer in Rot dargestellt wird.
Wichtige Flächen für die Konvektion
sind:
Innenflächen: 7, 8, 9, 11, 17, 29
Außenfläche: 6
Versuchen Sie alle Außen- und
Innflächen nacheinander anzuklicken um ein besseres Gefühl für die Selektierung
zu bekommen.
Konvektion auf Innenfläche erzeugen
Um die Konvektion zu erzeugen
wählen Sie das Icon 
aus der Ansichtsleiste und klicken
in der Dialogbox das Menü
„Konvektion an Fläche“ an.
Geben
Sie nun den Wärmeübergangskoeffizienten von 5 * 10 –6 W / mm2 K
und
die Temperatur von 1 o Grad.
Wählen
Sie „Konvektion erzeugen“ und klicken die Innenflächen 7, 8, 9, 11, 17, 29 nacheinander an.
Die Konvektion wird in der Selectbox
mit „Erzeugen“ erzeugt.
Konvektion auf Außenfläche erzeugen
Um die zweite Konvektion zu
erzeugen wählen Sie wieder das Icon 
aus der Ansichtsleiste
und klicken in der Dialogbox das
Menü „Konvektion an Fläche“ an. Geben
Sie in Lastfall 1 der bereits
7066 Lastwerte hat die
Konvektion von 25 * 10-6 W / mm2 K bei einer Temperatur
von 550 o C ein.
Die Innen- und Außenfläche der Konsole
sollte nun in Schwarz dargestellt werden.
Materialdaten erzeugen
Wählen Sie das Menü „FEM-Projekt
bearbeiten“ und „Materialdaten“ um die
Werkstoff-Eigenschaften für Statik und Temperatur einzugeben
Materialdaten für Stahl bei 550 o C editieren
Wählen
Sie Material-Datenbank und klicken auf den Werkstoff Stahl.
Die
angegeben Materialdaten müssen allerdings editiert werden da Stahl bei 550oC
eine geringere Festigkeit hat.
Mit
„Edit“ ändern Sie das E-Modul auf 160 000 N/mm2 und den
Wärmekoeffizienten auf 1.8E-5 für den Statik-Ablauf.
Die
Wärmeleitfähigkeit von 0.015 W/mmK für die Temperaturfeldberechnung andert sich
dagegen nicht.
Mit
„Material übernehmen“ werden die Materialdaten der Konsole zugeordnet.
Materialdaten für Statik-Analyse als auch
Temperaturfeldberechnung
FEM-Analyse
Zuerst speichern Sie das Modell unter
einem beliebigen Namen in das Struktur-Verzeichnis ab und wählen „FEM-Analyse“
und nochmal „FEM-Analyse“.
Beachten Sie auch daß sich ein Haken
vor Temperatur befinden muß.
Es wird ein Windows-Fenster geöffnet
und der FEM-Solver beginnt mit der
Temperaturfeldberechnung.
Am Schluß werden die Max-Min-Werte der
Temperaturverteilung angezeigt. Mit
„Datei/Save as“ kann der Fensterinhalt
mit den wichtigsten Daten auch in eine
beliebige ASCII-Datei abgespeichert werden.
Mit der Taste „Enter“ kehren Sie
wieder zum Hauptprogramm zurück. Dort wählen Sie „Schritt 2: Postprocessing
starten“
aus um die Ergebnisse farblich
auszuwerten.
Ergebnisauswertung Temperaturverteilung
Nach der FEM-Analyse oder mit dem Icon
und dem
Menü „Ergebnisauswertung mit Dialogbox“ erscheint die Dialogbox für die
Ergebnisauswertung mit:
Folgende Ergebnisgrößen können grafisch
ausgewertet werden:
·
Temperaturverteilung stationär
·
Temperaturverteilung instationär
mit Zeitschritt-Eingabe
weiterhin können
·
die Ergebnisse mit dem
Windows-Editor Notepad aufgelistet werden
·
und die Temperaturen mit einem
speziellen OpenGl-Animationsprogramm
animiert werden
Stellen Sie die Raster-Genauigkeit auf
„4“ und wählen „Modell mit Ergebnisaus-wertung“ um die
Knoten-Temperaturverteilung
darzustellen.
Mit
„Bearbeiten“ und „Spannungen/Verformungen picken“ können die Min- und Max-Temperaturen
angezeigt werden.
Temperaturlast aus Temperaturverteilung erzeugen
Die Temperaturverteilung ist jetzt
bekannt und man kann diese in eine
Temperaturbelastung umwandeln
und so
die Verformungen und Wärmespannungen zu berechnen.
Stellen
Sie zuerst den Statik-Rechenablauf mit „FEM-Analyse“ und „Statik“ ein.
Wählen
Sie das Menü „FEM-Projekt bearbeiten“ und „Belastungen“ sowie „Temperaturlast
einlesen“.
Geben
Sie als neuen Lastfall = 1 ein um den neuen Statik-Lastfall Temperaturlast zu
erzeugen und gleichzeitig den alten Konvektion-Lastfall zu überschreiben der
beim Statik-Ablauf nicht mehr vorkommen
darf (sonst Fehlermeldung im Solver).
Randbedingungen erzeugen
Die Fläche 21 wird in Y-Richtung
festgehalten. Wählen Sie dazu das Menü
„Randbedingungen bearbeiten“ sowie den Freiheitsgrad „Y-Richtung“ und
selektieren die Fläche 21.
FEM-Analyse
Speichern Sie nun das FEM-Modell unter
„Konsole_Statik.fem“ ab und führen jetzt wieder eine FEM-Analyse
durch um die Verformungen und
Spannungen zu berechnen.
Ergebnisauswertung Wärmespannungen
Nach der FEM-Analyse wählen Sie wieder
das Icon
um die
Verformungs- und Spannungsverteilung auszuwerten.
Die maximale Wärmespannungen
aufgrund von Konvektion beträgt somit 498.87 N/mm2