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Simulation von Temperaturfeldern

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Zu heiß? Bei der Auslegung von Strukturen kommt es oft auf eine ausreichende Kühlung an. Andererseits gibt es instationäre Prozesse, die die Einhaltung eines bestimmten Temperatur-Zeit-Profils erfordern. Auch die durch thermische Dehnungen verursachten Spannungen sind bei der Produktentwicklung häufig von Interesse. ​​Dieses Seminar stellt die Möglichkeiten der Temperaturfeldsimulation in ANSYS Mechanical dar.

ZIELGRUPPE

Dieses Seminar richtet sich an alle Entwicklungsingenieure, Versuchsingenieure und Projektleiter, die Temperaturaufgaben jenseits von Versuch, analytischen Abschätzungen, Netzwerkmodellen mittels 3D Feldsimulation mit ANSYS Mechanical durchführen wollen um bereits in einer frühen Entwicklungsphase prognosefähige Aussagen liefern zu können.

IHR NUTZEN

Sie werden befähigt, Aufgabenstellungen der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung zu lösen. Dabei erlernen Sie auch die geschickte Modellbildung für thermischen Kontakt, Verbundwerkstoffe, Phasenübergang und hochaufgelöste Detailmodelle.

Temperatursimulationen werden häufig mit anderen Analysearten gekoppelt. An Beispielen wird gezeigt, wie konvektive Randbedingungen aus einer Strömungsanalyse übernommen, das Temperaturfeld als Belastung in eine Verformungsanalyse übertragen oder die Auswirkungen elektrisch-thermischer Wechselwirkungen studiert werden können. Besonderer Fokus wird auf praktische Übungen zu allen Anwendungsgebieten gelegt.

Agenda

Tag 1

Thermische Simulation - Basis

M1: Planung thermischer Analysen

  • ​​Zielsetzung
  • Hierarchischer Modellaufbau (Multilevel Submodeling)
  • Abschätzung des Strahlungseinflusses
  • Abbildung von Werkstoffeigenschaften
  • Ausnutzung von Symmetrien
  • Übung: 2D-Analyse eines Reaktors aus dem Chemieanlagenbau

M2: Wärmeleitung und thermischer Kontakt

  • ​​Physikalische Grundlagen
  • Wärmeübertragung durch Wände und Rohre
  • Stationäre und instationäre Vorgänge
  • Übung:  Vorentwurf der Bestückung einer Leiterplatte (PCB)
  • Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung über Kontakte
  • Thermischer Widerstand in Abhängigkeit von Zeit, Ort, Temperatur, Druck oder Spalt
  • Übung: Kontaktverhalten in Abhängigkeit von Kontakttyp, Spalt und Suchradius

M3: Konvektive Randbedingungen

  • ​​Freie und erzwungene Konvektion
  • Ansätze zum Umgang mit der Temperatur eingeschlossener Fluide
  • Beispiel: Lufterwärmung im Inneren eines LED-Leuchtengehäuses
  • Parameterabhängigkeit von Lasten und Randbedingungen
  • Lasten und Randbedingungen aus externen Quellen
  • Übung: Ortsabhängiger Wärmeübergangskoeffizient
  • Übung: Wandtemperaturabhängige Kondensation an einer Behälterwand​

M4: Thermische Randbedingungen mittels VDI-Wärmeatlas

  • ​​Vereinfachte Abbildung von Kühlkanälen im FE-Modell
  • VDI-Wärmeatlas als Quelle zur Abschätzung thermischer Randbedingungen
  • CADFEM-Extension zur Integration des VDI-Wärmeatlas in ANSYS
  • Übung: Untersuchung von Kühlkonzepten für den Batterieblock eines Fahrzeugs (Strahlung, Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung)

Tag 2

Thermische Simulation - Fortgeschrittene Themen

M5: Strahlungswärme

  • ​​Physikalische Grundlagen
  • Emissivität
  • Strahlung zur Umgebung
  • Strahlung zwischen Oberflächen, z.B. in Vakuumkammern
  • Annahmen in ANSYS
  • Sichtfaktorberechnung
  • Radiosity-Solver
  • Ausnutzung von Symmetrie
  • Übung: Strahlung in einem Holzkohlegrill
    Demobeispiel: Strahlung an einem Abschirmblech

M6: Aufheiz- und Abkühlvorgänge

  • ​​Grundlagen und Zeitschrittsteuerung für instationäre Analysen
  • Einfügen stationärer Zustände
  • Auswertung von Zeitpunkten und Zeitverläufen
  • Lösungsmethoden für Nichtlinearitäten
  • Konvergenzkriterien und Konvergenzhilfen
  • Übung: Aufheizen und Abkühlen eines verrippten Rohrsegments​

M7: Grundlagen gekoppelter Analysen

  • ​​Möglichkeiten der Lastübertragung für gekoppelte Analysen
  • Einwegekopplung (schwache oder sequentielle Kopplung)
  • Übertragung von Lasten und Randbedingungen zwischen verschiedenen Netzen
  • Thermisch-mechanische Analysen - thermische Dehnungen
  • Demobeispiel: Elektro-thermisch-mechanische Analyse der Erwärmung eines verpressten Steckers durch Stromfluss
  • Übung: Berechnung des Stromflusses, der ohmschen Verluste und der thermischen Verformungen einer Sicherung
  • Demobeispiel: Instationäre Bewegung durch einseitige Beheizung einer Bimetallmembran

M8: Fortgeschrittene gekoppelte Analysen

  • ​​Arbeiten mit APDL-Befehlsobjekten
  • Umschalten der Eigenschaften thermischer Elemente
  • Selektierbefehle
  • Definition von Tabellen und Feldgrößen
  • Zweiwegekopplung (starke oder direkte Kopplung)
  • Coupled-Field-Elemente
  • Demobeispiele zur Erweiterung von ANSYS Mechanical mittels APDL
    • Aufbringung eines orts- und zeitabhängigen Wärmestroms
    • Temperaturabhängige Wärmequellen
    • Abhängigkeit eines Kontaktwiderstands vom Anpressdruck  und der druckabhängigen Kontaktfläche
    • Berücksichtigung von Reibungswärme
      Wärmeübertragung durch Massentransport​

Tag 3

Thermische Simulation - Spezialthemen

M9: Thermische Analysen von geschichteten oder beschichteten Strukturen

  • ​​Definition von Schichten, z.B. für Composites oder Solarpanel
  • Umgang mit den zusätzlichen thermischen Schalenfreiheitsgraden
  • Aufbringung von Lasten und Randbedingungen
  • Besonderheiten der Kontaktdefinition
  • Auswertung der Temperaturergebnisse geschichteter Elemente
  • Übung: Analyse eines beschichteten Körpers

M10: Detailanalyse durch Submodelltechnik

  • ​​Thermisch-mechanische Submodellanalyse
  • Aufbereitung des Submodells
  • Prüfung der Interpolation vom Grob- auf das Submodell
  • Übung: Auflösung der Kerbspannungen eines Kühlkörpers unter Temperaturbeanspruchung

M11: Berücksichtigung von Phasenübergängen

  • ​​Definition der Enthalpiekurve
  • Tipps zu Lösungseinstellungen
  • Ergebnisdarstellung
  • Übung: Erstarren eines Aluminiumrads in der Gussform

M12: Thermische Beanspruchung elektronischer Bauelemente

  • ​​Lebensdauer thermisch belasteter Bauelemente
  • Modellierung von Leiterplatten
  • Werkstoffeigenschaften
  • Lötprozesse
  • Elektromigration
  • Aushärtevorgänge
  • Übung: Vereinfachte Modellierung von PCBs mittels Trace Mapping

TEILNEHMERHINWEIS

​Damit Sie die Theorie auch in die Praxis umsetzen können haben Sie die Möglichkeit nach Seminarende eine Trainingslizenz für "VDI-Wärmeatlas inside ANSYS" für 3 Monate zu bekommen. Sprechen Sie uns gerne dazu an.

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