Software: FEM - Tutorial - Feldkopplung - MP - Thermo-Bimetall - Modell
Unabhängig von den Möglichkeiten des verwendeten Simulationsprogramms sollte man bei der Entwicklung und Inbetriebnahme eines Modells immer möglichst einfach beginnen:
- Als Grundlage kann im konkreten Beispiel das mechanische Modell des Bimetalls betrachtet werden.
- Auch mit der komplexesten Ausbaustufe des Modells soll die mechanische Verformung und Belastung des Bimetalls untersucht werden.
- Die Validierung des mechanischen "Basis"-Modells kann durch Vorgabe einer einheitlichen, konstanten Temperatur erfolgen (Body Load).
Wir bilden das Finite Element Modell Bimetall_xx.fem (xx=Teilnehmer-Nr. 00..99) direkt im FEM-Editor von Simulation Multiphysics ohne Beteiligung eines CAD-Systems:
- Beim Öffnen eines neuen Modells muss man eine Berechnungsart wählen, welche man aber nachträglich in den Szenarien noch ändern kann. wir wählen die uns bereits bekannte Berechnungsart > Statische Spannung mit linearen Materialmodellen.
- Der Bimetall-Streifen kann auf Grund seiner konstanten Breite (8mm) und Homogenität als 2D-Problem behandelt werden (Dicke der 2D-Elemente=8 mm).
- Wir zeichnen die Geometrie des Kupfer- und des Invar-Streifens mit dem FEM-Editor in der YZ-Ebene (2D-Problem!) und wählen den 2D-Elementtyp:
Die Material-Kennwerte sind in SI-Grundeinheiten vorgegeben, um im Rahmen dieser Übungen Umrechnungsfehler zu vermeiden:
1. Kupfer:
- E-Modul=1,226E11 N/m²
- Querkontraktionszahl=0,34
- therm. Ausdehnungskoeff.=16E-6 /K
- therm. Leitfähigkeit=402 W/(m·K)
- spez. Wärmekapazität=385 J/(kg·K)
- Massedichte=8960 kg/m³
- Referenztemperatur=20°C
2. Invar (Fe64Ni36):
- E-Modul=1,422E11 N/m²
- Querkontraktionszahl=0,3
- therm. Ausdehnungskoeff.=1,7E-6 /K
- therm. Leitfähigkeit=10,5 W/(m·K)
- spez. Wärmekapazität=514 J/(kg·K)
- Massedichte=8130 kg/m³
- Referenztemperatur=20°C
Material: Aufgrund der gewählten Berechnungsart (Domäne der Strukturmechanik) kann man in diesem Szenario keine thermischen Eigenschaften für die Materialien angeben (außer den thermischen Ausdehnungskoeffizienten).
Die Vernetzung des langen und dünnen Bimetall-Streifens erfordert einige Vorüberlegungen:
- Um Abhängigkeiten und Lasten Konstruktionsobjekten zuweisen zu können, müssen wir im Simulation Multiphysics die freie 2D-Vernetzung benutzen.
- Berechnungsfehler summieren sich ausgehend von der linken Einspannung multipliziert mit dem jeweiligen Abstand zur rechten Seite auf:
- Die Vernetzung muss so gestaltet werden, dass die Genauigkeit der Berechnung an der linken Einspannseite hinreichend hoch ist.
- Auf Grund der unsymmetrischen Einspannung müssen links mehrere Elementschichten vorgesehen werden.
- Als günstig erscheint eine Vernetzung mit 4 Element-Schichten pro Materialschicht:
- Die Verwendung von Quad-Elementen ermöglicht mit der freien 2D-Vernetzung die Netz-Qualität einer strukturierten Vernetzung.
- Die Angabe eines Wertes für die Netzgröße von 1/4 der Höhe des Materialstreifens führt zu einer gleichmäßigen Vernetzung des gesamten Streifens mit 4 Element-Schichten:
