Software: FEM - Tutorial - Feldkopplung - Thermo-Bimetall - Waerme-induzierte Verformung
Die Kopplung zwischen Wärme und Mechanik werden wir in dieser Übung nur für den stationären Fall durchführen. Dafür nutzen wir im weiteren wieder das Modell Bimetall_xx.MOD.
Zum Verständnis, wie die Datenübergabe zwischen dem thermischen und dem mechanischen Modell im MEANS-Solver realisiert wird, ein paar Fakten zum Abarbeiten der Lastfälle des aktiven Constraint Set:
- MEANS erkennt für jeden Lastfall nur anhand vorhandener LOAD-Typen, ob eine thermische und/oder mechanische FEM-Berechnung erforderlich ist:
- Mechanik nur bei Body-Load oder Loads der Mechanik-Kategorie (Kräfte, Momente, ...). Dazu gehört auch die Vorgabe einer konstanten Körpertemperatur!
- Wärme bei Loads der Wärme (Temperaturvorgaben, Wärmeleistung)
- Ist mindestens für einen Lastfall ein thermisches Modell erforderlich, so wird das zugehörige Gleichungssystem als Erstes von MEANS generiert und für alle Lastfälle berechnet (die ein thermisches Modell erfordern).
- Erst als Zweites wird überprüft, ob ein Lastfall ein mechanisches Modell benötigt. Dann wird das zugehörige Gleichungssystems ebenfalls generiert und für alle betroffenen Lastfälle berechnet.
- Damit kann der unidirektionale Datenfluss vom thermischen Modell zum mechanischen Modell innerhalb eines jeden Lastfalls realisiert werden (wenn dies erforderlich ist):
- Die für die Knoten berechneten Temperaturen werden in Analogie zum Body-Load (wo allerdings nur eine einheitliche Temperatur vorgegeben werden kann) benutzt, um daraus die inneren Kräfte zu berechnen, welche die Verformung des Bauteils beeinflussen.
- Man beachte, dass diese Kopplung immer nur innerhalb des jeweiligen Lastfalls realisiert wird!
Für unser Modell mit seinen beiden Lastfällen bedeutet dies:
1. Konst. Temperatur 100°C
- Infolge Body-Load=100°C ist nur ein mechanisches Modell erforderlich.
- Die Berechnung dieses Modells erfolgt erst nach der Berechnung des thermischen Modells des 2.Lastfalls!
2. Waerme - stationaer
- Infolge der "Heat-Generation-Load", der Temperatur-Vorgaben und der Konvektion ist ein thermisches Modell erforderlich.
- Dieses wird als erstes berechnet (obwohl es sich hier um den 2. Lastfall handelt!).
- Ein mechanisches Modell ist für diesen Lastfall nicht erforderlich, da keine entsprechende Last existiert.
Mit diesem Wissen kann man sehr einfach den 2.Lastfall zu einem gekoppelten Feldproblem umgestalten:
- Wir benennen den 2.Lastfall in "Thermo-mech. Kopplung" um (Achtung: Nicht vergessen, danach die Output-Set zu löschen!).
- An einer unkritischen Stelle definieren wir als Knotenlast eine Kraft=0 N (z.B. am freien Ende in Y-Richtung). Da der Last-Wert "Null" von MEANS nicht akzeptiert wird, setzen wir z.B. die Kraft=1E‑10 N!
- Damit erkennt MEANS, dass nun ein mechanisches Modell erforderlich ist (welches nach dem thermischen Modell berechnet wird).
- Wir konfigurieren die Anzeige im Postprocessing so, dass wir Temperaturverteilung und Verformung gleichzeitig sehen.
Prinzipiell funktioniert die Ankopplung der mechanischen Verformung auch an die transiente Wärmeberechnung. Dabei erfolgt für jeden Zeitschritt zuerst die thermische transiente Berechnung der Wärme und danach eine stationäre Berechnung der Verformung des Bauteils. Es handelt sich also auch hierbei um eine unidirektionale Kopplung.
