Сопряженный анализ в ANSYS Mechanical

Множество конструкций подвержены значительным механическим и тепловым воздействиям. Важно учитывать оба этих аспекта при выполнении анализа методом конечных элементов, поскольку каждый из них может привести к разрушению таких конструкций.

Наряду с их индивидуальной важностью с точки зрения проектирования, тепловые и механические нагрузки также оказывают существенное влияние друг на друга. Изменение температуры материала вызывает тепловое расширение/сжатие и может изменить свойства материала. Оба эти аспекта должны быть приняты во внимание при рассмотрении реакции системы.

Традиционно, в случаях, когда конструкция подвергается значительному тепловому воздействию, сначала выполняется тепловой анализ. Распределение температуры из теплового моделирования затем будет использовано в качестве входных данных для прочностного анализа, чтобы учесть влияние температуры на механический отклик.

Это простой метод, и он хорошо работает в большинстве случаев. Однако, поскольку тепловое моделирование выполняется изолированно, этот способ не может отражать влияние, которое оказывает механическое воздействие на тепловое решение. Во многих случаях этот эффект незначителен, но в некоторых случаях прочностной и тепловой отклик более тесно связаны.

В прошлом, создание модели, в которой тепло-прочностное взаимодействие связано в обоих направлениях, было относительно сложным и требовало использования командных вставок ANSYS APDL. Однако, начиная с релиза 2019 R3, этот функционал изначально доступен в ANSYS Mechanical.  Теперь чрезвычайно легко, в котором механические и тепловые степени свободы решаются одновременно.

Новые системы анализа «Coupled Field» в Workbench, показанные на рисунке 1, позволяют инициировать стационарное или нестационарное тепло-прочностное решение. Посредством задания физической области для тел в моделировании могут быть заданы тепло-прочностные связанные степени свободы; или отдельно тепловые или механические степени свободы, как показано на рисунке 2. Прочностные и тепловые граничные условия будут доступны на панели инструментов Mechanical, рисунок 3.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Анализ тепловых и механических степеней свободы в связанном виде позволяет точно смоделировать сложные термопрочностные взаимодействия. Возьмем, к примеру, случай, когда тепловое расширение деталей замыкает контакт, который был изначально разомкнут. Тот факт, что контакт замыкается, может значительно изменить поток тепловой энергии через детали и, следовательно, привести к совершенно другому конечному состоянию. Пример этого можно увидеть на VIDEO 1 и VIDEO 2.

Запуск сопряженного решения также позволяет нам принять во внимание энергию, которая выделяется при определенных типах нелинейной деформации, приводящей к дополнительному нагреву материала. Такой нагрев учитывается с использованием граничных условий пластического и вязкоупругого нагрева, рисунок 4.

Рисунок 4

Plastic Heating - граничное условие обеспечивающее термопластический эффект, проявляющийся в повышении температуры во время пластической деформации из-за превращения части пластической работы в тепло. Пользователи могут установить долю энергии, которая преобразуется в тепло.

Viscoelastic Heating- условие преобразования вязкоупругих потерь в тепло. Для вязкоупругих материалов при релаксации происходит потеря накопленной потенциальной энергии, и часть этой энергии преобразуется в тепло. Можно указать долю энергии, которая должна быть преобразована в тепло.

Пример нагревания при пластических деформациях можно увидеть в образце для испытаний на растяжение на VIDEO 3 и VIDEO 4.

Области применения сопряженного термо-прочностного анализа:

• Большие механические деформации, приводящие к возникновению контактов во время решения, образующие новые пути для теплового потока
• Внутреннее тепловыделение из-за механических деформаций
• Тепловыделение при относительном скольжении контактирующих поверхностей
• Зависимость тепловых свойств материала от прочностного решения и наоборот
• Расслоение или разрушение материала, изменяющее пути теплового потока
• Нелинейные тепловые граничные условия, где нелинейность зависит от прочностного решения
• Случаи зависимости теплопроводности от давления или зазора в контакте

Конкретные примеры использования связного тепло-прочностного анализа:

• Нагрев тормозных дисков: относительное скольжение между диском и тормозными колодками вызывает значительное выделение тепла при трении.
• Уплотнения: большие пластические деформации уплотнений вызывают повышение температуры. Это может привести к ослаблению контактного давления. Кроме того, воздействие циклических нагрузок на контактные поверхности, может создавать фрикционный нагрев.
• Дуговая сварка: высокотемпературное плавление материала и последующее охлаждение может привести к короблениям в окончательной форме из-за теплового расширения/сжатия.
• Сварка трением: процесс основан на выделении тепла трения, что требует использования сопряженного термо-прочностного анализа.
• Радиочастотная абляция: высокочастотные радиоволны используются для внутреннего выделения тепла в раковых клетках, что приводит к абляции. Связанный термопрочностной анализ может использоваться в дополнение к моделированию этого эффекта (в дополнение к гибели элемента).
• Обработка металлов давлением: пластическое тепловыделение в областях, подвергающихся большим пластическим деформациям, может привести к сжатию/расширению, приводящему к искажению конечной формы.
• Виброизоляционные уплотнения: при высокочастотных воздействиях возможно повышение температуры из-за вязкоупругого нагрева виброизоляционных прокладок, что приводит к изменению реакции материала и уменьшению долговечности.
• Резьбовые соединения: для высокотемпературных применений, локальный пластичный нагрев рядом с резьбой или фрикционный нагрев могут привести к повышению температуры, что приводит к уменьшению усталостного ресурса из-за термомеханической усталости.
• Высокочастотные резонаторы: термоупругое демпфирование может влиять на гармонический отклик резонаторов, связанный тепло-прочностной анализ позволяет учитывать этот эффект.
• Усталость гиперэластичных уплотнений: при высокочастотной нагрузке вязкоупругий нагрев может привести к изменениям в поведении материала, а также уменьшить усталостную долговечность
• Тепловой барьер/абляция покрытия: выделение поверхностного тепла на покрытиях (например, в керамической тепловой защите в космическом челноке) вызывает абляцию поверхности. Связанный термо-прочностной анализ может использоваться в дополнение к моделированию этого эффекта (в дополнение к удалению элемента).

В статье использованы материалы COUPLED FIELD SIMULATION IN ANSYS MECHANICAL

Автор Wynand Prinsloo