Temperaturen

Anmerkung: Die Informationen in diesem Abschnitt beziehen sich auf alle linearen und nichtlinearen Strukturanalysen, für die Temperaturen gelten, und auf elektrostatische Analysen.

Temperaturen sind auch auf Wärmeübertragungsanalysen anwendbar, sind in diesem Kontext jedoch deutlich anders. Weitere Informationen finden Sie auf den folgenden Seiten:

• Ausgangstemperatur
• Gesteuerte Temperatur

Eine Temperatur kann auf Knoten, Flächen oder Bauteile in einem linearen und nichtlinearen Strukturanalysemodell und auf Knoten oder Flächen in einem elektrostatischen Analysemodell angewendet werden.

Was macht eine Temperatur?

• Eine Flächentemperatur wendet Knotentemperaturen auf jeden Knoten auf der Fläche an, und eine Bauteiltemperatur wendet Knotentemperaturen auf jeden Knoten im Bauteil an.
• Bei linearen und nichtlinearen Strukturmodellen werden Temperaturen für die thermische Spannungsanalyse verwendet. Temperaturen können thermische Ausdehnung von Materialien mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten ungleich Null verursachen.
• Für Knoten, auf die eine Temperatur angewendet wird, wird der im Feld Größe angegebene Wert beibehalten. Diese Temperatur wird nur auf die ausgewählten Knoten angewendet und wird nicht durch das Material geleitet. (Eine thermische Analyse wird zum Berechnen der Wärmeleitung oder des Wärmestroms durch Konvektion oder Strahlung benötigt.)
• Die durch die Temperatur erzeugte Spannung wird aus dem Unterschied zwischen der Knotentemperatur und dem Wert für Spannungsfreie Referenztemperatur berechnet, der im Dialogfeld Elementdefinition festgelegt wurde. Die Auswirkungen dieses Temperaturunterschieds hängen von dem Wert für Thermischer Ausdehnungskoeffizient ab, der im Dialogfeld Elementenmaterial Angeben definiert wird.
• Damit die manuell angewendeten Temperaturen in einer linearen oder nichtlinearen Analyse berücksichtigt werden, müssen Sie die Option Modelldatei in der Dropdown-Liste Temperaturquelle auf der Registerkarte Thermisch im Dialogfeld Analyseparameter wählen.
• Bei einer linearen Analyse müssen Sie auch einen thermischen Multiplikator auf der Registerkarte Multiplikatoren im Dialogfeld Analyseparameter zuweisen.
• Wählen Sie bei einer nichtlinearen Analyse die Lastkurve aus, die die Größe der Temperaturen in Abhängigkeit von der Zeit im Feld Knotentemperatur-Lastkurvenindex auf der Registerkarte Thermisch im Dialogfeld Analyseparameter steuert. Für die Anzahl muss zuvor eine Lastkurve definiert worden sein, damit sie in diesem Dropdown-Menü angezeigt wird. Die Lastkurve kann verwendet werden, um die Temperaturen aus einer stationären Wärmeübertragungsanalyse mit der Zeit zu variieren. Beispielsweise können Sie allmählich die angewendete Temperatur von Null auf die Eingabetemperaturwerte erhöhen, indem Sie den Lastkurven-Multiplikator von 0 bis 1 variieren.
  Wichtig: Bei nichtlinearen Spannungsberechnungen mit Ergebnissen zur transienten Wärmeübertragung ist die Temperatur als Funktion der Zeit in der Spannungsberechnung die gleiche wie die Temperatur im Vergleich zur Zeit aus der thermischen Analyse. Die Dauer des thermischen Simulationsereignisses muss größer oder gleich der Dauer des Spannungsberechnungs-Ereignisses sein. In diesem Fall weist die Lastkurve in der Regel einen konstanten Wert von 1 auf (angewendete Temperatur ist gleich der Eingabetemperatur aus der thermischen Analyse während des Ereignisses). Weitere Informationen finden Sie unter Verwenden von Lastkurven zur Steuerung von Temperatur gegenüber der Zeit in nichtlinearen Analysen unten auf dieser Seite.
• Bei linearen, nichtlinearen und elektrostatischen Analysen wirken sich Temperaturen auf die Materialeigenschaften aus, wenn temperaturabhängige Materialmodelle im Dialogfeld Elementdefinition festgelegt wurden.

Anwenden von Temperaturen

Wenn Sie Knoten, Flächen oder Bauteile ausgewählt haben, können Sie mit der rechten Maustaste in den Anzeigebereich klicken und das Pullout-Menü Hinzufügen auswählen. Wählen Sie den entsprechenden Befehl Temperaturen an Knoten oder Temperaturen an Fläche oder Temperaturen Bauteil. Sie können auch über die Multifunktionsleiste auf diesen Befehl (Setup Lasten Temperatur) zugreifen.

Geben Sie im Feld Betrag den Wert für die Temperatur an, die auf jedes ausgewählte Objekt angewendet werden soll.

Anmerkung: Wenn auf einen Knoten verschiedene Temperaturen angewendet werden, wird die letzte Temperatur für den Knoten verwendet. Wenn z. B. die Bauteile 1 und 2 miteinander verbunden sind und Bauteil 1 eine Temperatur von 100 Grad, Bauteil 2 anschließend eine Temperatur von 75 Grad zugewiesen wird, haben die gemeinsamen Knoten eine Ausgangstemperatur von 75 Grad.

Anwenden von konstanten Temperaturen auf ganze Modelle

Wenn Sie nur die thermische Spannung in einem Modell bestimmen möchten, die durch eine gleichmäßige Temperaturänderung entsteht, müssen Sie Knotentemperaturen nicht für das gesamte Modell hinzufügen. Klicken Sie stattdessen mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Thermisch unter der Überschrift Analysetyp im Browser, und wählen Sie Bearbeiten. Beachten Sie, dass diese Überschrift möglicherweise grau ist, bevor eine Temperatur definiert wurde. Der Befehl ist jedoch noch verfügbar. Führen Sie die folgenden beiden Schritte aus:

• Wählen Sie im Dropdown-Menü Temperaturquelle die Option Lasten aus FEM-Editor.
• Geben Sie den gewünschten Temperaturwert in das Feld Vorgabetemperatur ein. Für alle Knoten im Modell, auf die keine Kotentemperatur angewendet wurde, wird dieser Wert festgelegt. Eine angewendete Temperatur überschreibt den Vorgabewert.

Anwenden von Temperaturprofilen aus thermischen Analysen

In einigen Fällen wurden die Temperaturprofile für ein Modell bereits mithilfe einer stationären oder transienten Wärmeübertragungsanalyse berechnet. Wenn die Geometrie des Strukturmodells mit dem thermischen Modell identisch ist, können die thermischen Ergebnisse für das Temperaturprofil verwendet werden. Die kann mithilfe von zwei Methoden erfolgen.

Methode 1:

1. Für eine lineare oder nichtlineare Spannungsberechnung klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Thermisch unter der Überschrift Analysetyp im Browser, und wählen Sie dann den Befehl Bearbeiten. Für eine Eigenfrequenz (modal) mit Lastversteifungs- oder Knicklastberechnung klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Berechnung, wählen Sie den Befehl Analyseparameter bearbeiten, und wechseln Sie zur Registerkarte Thermisch.
2. Wählen Sie anschließend den Typ der Wärmeübertragungsanalyse, der zuvor für dieses Modell durchgeführt wurde, im Dropdown-Menü Temperaturquelle aus. Die Optionen lauten wie folgt:
   • Ein anderes Entwurf-Szenario in der geladenen Datei
   • Eine andere Simulation Mechanical-Datei
   • Autodesk CFD-Datei. Weitere Informationen zu dieser Option finden Sie auf der Seite Verwenden von Autodesk® Simulation CFD-Temperaturergebnissen als thermische Lasten.
3. Wenn Sie eine andere Simulation Mechanical-Datei oder ein Autodesk CFD-Modell verwenden, klicken Sie auf die Schaltfläche Durchsuchen neben der Überschrift Dateiname und Entwurf-Szenario. Wählen Sie anschließend die gewünschte Modelldatei der thermischen Analyse. Geben Sie im Dropdown-Menü unter dem Dateinamenfeld an, welches Entwurf-Szenario des thermischen Quellmodells verwendet werden soll.
   Wenn Sie ein anderes Entwurf-Szenario in der gleichen Modelldatei verwenden, geben Sie im Pulldown-Menü Temperatur aus Entwurf-Szenario verwenden an, welches verwendet werden soll.

   Anmerkung: In diesem Menü werden nur Entwurf-Szenarien aufgelistet, bei denen der Analysetyp eine stationäre oder transiente Wärmeübertragung ist. Wenn eine Wärmeübertragungsanalyse abgeschlossen wurde, der Analysetyp jedoch zu einem späteren Zeitpunkt nicht in thermal geändert wurde, wird das Entwurf-Szenario nicht im Pulldown-Menü Temperatur aus Entwurf-Szenario verwenden angezeigt, auch wenn die thermische Ergebnisdatei weiterhin im Ordner vorhanden ist.
4. Wenn Sie die Ergebnisse aus einer transienten Wärmeübertragungsanalyse als Last in einer linearen statischen Spannungsberechnung verwenden, geben Sie an, welcher Zeitschritt der thermischen Analyse als Temperaturquelle für die Spannungsberechnung verwendet werden soll. Verwenden Sie dazu das Pulldown-Menü Welcher Schritt soll verwendet werden?. Vorgabemäßig wird der letzte Zeitschritt verwendet.

Anmerkung: Bei Methode 1 können die Netze zwischen dem thermischen Modell und dem Spannungsmodell unterschiedlich sein. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Anforderungen für verschiedene Netze auf der Seite Multiphysics.

Methode 2:

1. Wenn nichts ausgewählt ist, klicken Sie mit der rechten Maustaste in den Anzeigebereich des FEM-Editors. Wählen Sie den Befehl Lasten aus Datei aus.
2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Durchsuchen in der Spalte Ergebnisdatei. Ein Dialogfeld wird geöffnet, in dem Sie die Ergebnisdatei auswählen können. Wählen Sie im Pulldown-Menü Dateityp: die Option Thermische Ergebnisdatei (*.to, *.tto).
3. Wählen Sie die Datei mit den Temperaturergebnissen aus, und klicken Sie auf Öffnen.
4. Es können nur die Temperaturen aus einem einzigen Lastfall oder Zeitschritt in der ausgewählten Datei auf das Spannungsmodell angewendet werden. Wählen Sie den Lastfall oder Zeitschritt in der Spalte Lastfall aus Datei aus.
5. Die Temperaturen werden in Lastfall 1 platziert, unabhängig von der Nummer, die in das Feld Struktureller Lastfall eingegeben wird.
6. Wenn die Temperaturen vor der Anwendung auf das Modell mit einem konstanten Wert multipliziert werden sollen, geben Sie den konstanten Wert in der Spalte Multiplikator an.
7. Klicken Sie auf OK.

Achtung: Im Gegensatz zu anderen Arten von Lasten, die mit dem Befehl Lasten aus Datei auf das Modell angewendet werden können, kann hier nur eine Temperatur auf einen festgelegten Knoten angewendet werden. Sie können nicht mehrere Ergebnisdateien (bzw. nicht mehrfach dieselbe Datei) angeben und die Temperaturen am gleichen Knoten einfügen. Sie können auch keine unterschiedlichen thermischen Ergebnisdateien auf die gleichen Knoten für verschiedene Lastfälle anwenden. Es wird nur die zuletzt auf einen Knoten angewendete Temperatur beibehalten. Sie können mehrere Temperaturergebnisse nur dann verwenden, wenn jede Datei zu einem anderen Teil des Spannungsmodells gehört.

Anmerkung: Bei Methode 2 müssen die Netze des thermischen Modells und des Spannungsmodells identisch sein, da die Temperaturen mithilfe von Koordinaten im gesamten Modell (nicht auf Bauteilbasis) übertragen werden. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Anforderungen für die gleichen Netze auf der Seite Multiphysics.

Verwenden von Temperaturen zum Modellieren der Anfangsdehnungsbedingungen in einer linearen Analyse

Am einfachsten lässt sich eine Anfangsdehnung in einem Bauteil mithilfe einer Temperatur modellieren. Wenn Sie die vorhandene Spannungsmenge und die Eigenschaften des Materials kennen, können Sie den richtigen Temperaturunterschied mit der folgenden Vorgehensweise anwenden.

1. Aufgrund der grundlegenden Gleichung für Dehnung wissen wir, dass die Spannung gleich dem Produkt des Temperaturunterschieds und dem Koeffizienten der thermischen Ausdehnung α ist:

   

2. Das Ergebnis dieser Gleichung für den Temperaturunterschied ist:

   

Mittels dieser Vorgehensweise können wir nun den Temperaturunterschied berechnen, der auf das Modell angewendet werden muss, um den Vorspannungszustand anhand der bekannten Spannung und der Materialeigenschaften zu simulieren.

Verwenden von Lastkurven zur Steuerung von Temperatur gegenüber der Zeit in nichtlinearen Analysen

Alle Temperaturen werden mit dem Lastkurvenmultiplikator multipliziert, wobei die Lastkurve mit der Dropdown-Liste Knotentemperatur-Lastkurvenindex festgelegt wird. Für ein gleichmäßiges Rohr beträgt die Ausdehnung aufgrund der Temperaturen...

L = L*α*(LCM*T - Tref)

Dabei gilt:

• ΔL ist die Längendifferenz
• L ist die Länge
• α ist der Koeffizient der thermischen Ausdehnung, die auf Temperatur T basiert, nicht LCM*T
• LCM ist der Lastkurven-Multiplikator
• T ist die Temperatur an jedem Knoten, entweder aus Temperaturen, die explizit den Knoten zugewiesen sind, oder die Standardknotentemperatur oder die Ergebnisse aus einer stationären Analyse
• Tref ist die spannungfreie Referenztemperatur.

Da eine zeitabhängige Wärmelastanalyse wohl einen genauen Verlauf der Temperaturen im Vergleich zu den Uhrzeiten aufweist, kann es ungewöhnlich sein, diese Temperaturen zu lesen und einen anderen Lastkurven-Multiplikator als 1 zu verwenden. In einigen Fällen jedoch, wie zum Beispiel, wenn das Modell mit einem anderen Temperatur als Tref beginnt, können die Auswirkungen, die aufgrund der Anwendung der Temperaturen zum Zeitpunkt 0 auftreten, durch Aufstocken des Lastkurven-Multiplikators über einen Teilbereich des Ereignisses reduziert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lösung konvergiert.

Wenn stationäre thermische Ergebnisse als Temperaturquellen für eine nichtlineare Strukturanalyse verwendet werden, erhöhen Sie mithilfe der Lastkurve die Temperatur nach und nach von Tref auf die Eingabetemperaturwerte.