Теплопередача в слоистых элементах

Не каждый день, но все же встречаются задачи расчета теплопроводности в комбинации Solid и слоистых Shell элементов. Такие задачи связаны с определёнными трудностями контактного взаимодействия, и возникают, к примеру, в композитных материалах, подготовленных в ACP или при использовании функции Mechanical - «Layered Section». В обоих случаях будут использоваться многослойные элементы Shell131, имеющие до 32-х температурных степеней свободы по толщине в каждом узле (максимум 15 слоев с квадратичным распределением температуры или до 31 слоя с линейным градиентом). По умолчанию степени свободы обозначаются следующим образом: сверху TTOP, снизу TBOT, и на промежуточных слоях TEn (рисунок 1). Эта особенность исключает теплопередачу в контакте с Solid элементами, имеющими степени свободы TEMP. К счастью, простое переключение настройки элемента позволяет ввести связанные степени свободы.

Рисунок 1 – Элемент Shell131

Настройка KEYOPT (6) = 1, заменяет степень свободы TBOT элемента Shell131 на TEMP, соответствующее Solid элементу. Естественно остальные степени свободы слоистого элемента не будут связаны с твердотельным телом, что необходимо учитывать при значительном тепловом градиенте (рисунок 2). Самый простой вариант, в таком случае - заменить Shell на слоистый Solid, либо, при невозможности этого, вручную прописать скрипт связывающий определённые степени свободы этих двух элементов.

Рисунок 2 – Температурный градиент на элементах Shell (слева) и Solid (справа), при использовании настройки keyopt(6)=1

Далее представлен пример такого скрипта:

CMSEL,S,NSOLID                     !Выбор подготовленного набора узлов solid тела

*get,ncount,NODE,0,COUNT     !Количество узлов для связывания

NEXT_ND=0

*do,i,1,ncount,1                          !Цикл для связывания узлов

       CMSEL,S,NSHELL             !Выбор подготовленного набора узлов на ребре shell тела

       next_nd=ndnext(NEXT_ND)

       *if,next_nd,EQ,0,EXIT

       A=ENEARN(next_nd)                    !Ближайший элемент поверхности

       *get,sec,ELEM,A,ATTR,SECN      !Номер сечения поверхности

       *get,h,shel,SEC,PROP,TTHK        !Общая толщина поверхности

       CMSEL,S,NSOLID

       B=NODE(NX(NEXT_ND),NY(NEXT_ND),NZ(NEXT_ND))      !Ближайший узел solid элемента к нижнему слою

       CE,NEXT,0,NEXT_ND,TBOT,1,B,TEMP,-1                              !Уравнение связи

       B=NODE(NX(NEXT_ND),NY(NEXT_ND)+h/4,NZ(NEXT_ND))

       CE,NEXT,0,NEXT_ND,TE2,1,B,TEMP,-1

       B=NODE(NX(NEXT_ND),NY(NEXT_ND)+h/2,NZ(NEXT_ND))

       CE,NEXT,0,NEXT_ND,TE3,1,B,TEMP,-1

       B=NODE(NX(NEXT_ND),NY(NEXT_ND)+3*h/4,NZ(NEXT_ND))

       CE,NEXT,0,NEXT_ND,TE4,1,B,TEMP,-1

       B=NODE(NX(NEXT_ND),NY(NEXT_ND)+h,NZ(NEXT_ND))     

       CE,NEXT,0,NEXT_ND,TTOP,1,B,TEMP,-1

*enddo

alls

В результате, в контактном взаимодействии Solid – многослойный Shell, учитывается температурный градиент (рисунок 3).

Рисунок 3 – Температурный градиент на элементах Shell (слева) и Solid (справа), при использовании уравнений связи

В статье использованы материалы сайта http://www.padtinc.com.