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I-Deas TMG 培训资料 (6)  

2012-07-14 06:56:23|  分类: I-Deas TMG 资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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I-deas TMG - 导热建模

  
概述
      导热是所有热分析的关键之一。I-Deas TMG 提供了两个计算模型中导热的方法。
      以下学习:
        1. TMG 如何计算导热率;
        2. TMG 的两种导热计算的格式;
        3. 如何选择导热计算方法;
        4. 多层壳体单元的使用。 
热网格
      热模型中的导热类似于电阻网络。热量从高温单元流向低温单元。单元之间用热阻连接。热阻越高,导热越小,单元之间的温差越大 (对于给定的热流)。
  
两种导热计算方法
      I-deas  TMG 提供两种导热计算方法:单元 CG 方法和单元中心方法。下面分别说明。

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      1. 单元 CG 导热法
      单元 CG 导热法采用有限体积格式,计算建立在单元重心 (CG) 和各边界的中心。
       *   边界节点之间导热的建立采用如下格式:它应用满足导热偏微分方程的线性单元温度函数。 
       *   重心节点用于计算传热的分布 (辐射、对流和热流)。计算重心温度时,假设单元内的温度是分段线性分布的。 
       *   流入到重心节点的热量被分配到边界节点。

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     用 CG 法计算的温度结果
       TMG 计算每个计算点 (边界和 CG) 的温度,一旦求出温度矩阵,再用内插法求网格节点的温度。
      一次分析可以得到两套温度数据:节点温度和单元 CG 点的温度。其中节点温度是由插值得到的。

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单元 CG  法的优缺点:
      单元 CG  法具有较多优点,其中突出的是:
       1. 精度高;
       2. 易于对随温度变化的物性建模;
       3. 处理正交各向异性的方法先进;
       4. 对单元扭曲变形的敏感度低。
      单元 CG 法的主要缺点是:
      由于增加了边界计算点,因而需要更大的温度矩阵,由此产生两个主要缺点:
      1. 较大的温度矩阵导致较长的计算时间。
      2. 对于需要访问矩阵的用户,要理解更为复杂的矩阵。
  
单元 CG 法与单元扭曲:
      高度扭曲的单元特别是具有小内角的单元,会使计算不易收敛。如图很扁平的三角形单元,当顶点向底边靠近时,G1 和 G2 的值将增加。由于边的中心点之间的总导热不变,所以必须降低 G3,甚至会出现负值。
      TMG 会自动去除较大的负值,以提高求解的稳定性。
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        但是,对负值项的修改会对求解精度产生影响。如果 TMG 报告大部分求解项被修改了,建议重新划分网格,减少单元扭曲。 
       检查网格中的大角度 (大于 135?),角度越大,出现大的负导热项的可能性越大。角度大于 175?  的单元很可能出现问题。
       对有些情况,可能需要调整控制负导热项的设置,可以在 Solver Control 的 Advanced 中找到 (ILL Condition Filter)。
 
2. 单元中心导热计算方法
      另一种较为简单的方法是单元中心导热方法。此方法的计算点位于各边中垂线的交点处。
      使用这一方法时,四边形和三角形单元均有唯一的中心;
      不规则的实体单元,要么分为四面体,要么利用单元质心附近的中心点近似计算导热率。
      二维的不规则的四边形被划分为小的三角形。
      要使用单元中心方法,可以在 Solver Control 的 Solver Parameters... 中,点击 Additional Options,将 Conduction Method 设置为 Element Center。
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单元中心法的优缺点
      单元中心法的优点有:
      1.  在两种方法中,利用 Fourier 方法可以准确而有效的计算出导热率。使用单元中心法时 Fourier 方程为:
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          其中 n 是控制体积边界中心的法线。这样给出一个更为简洁的导热矩阵。
      2.  具有规则几何形状的单元可以加快计算速度。    
  
 单元中心法的缺点是:
      1. 单元中心可能位于控制体积之外。只有单元中心不超过相邻单元的中心,而且相邻单元与之具有相同的导热系数,导热率的计算才准确。当单元中心超过相邻单元的中心时,会产生负导热。在这种情况下,TMG 将合并两个单元并发布警告 "Approximate Conductive" (近似导热)。
      2. 在计算点上,TMG “集总” 所有的传热。计算点不一定是单元的质心,这样可能导致辐射或对流建模的错误。
      3. 交叉耦合项 (单元合并引起) 的扩散会产生大的导热矩阵。
  
用单元中心法对变化的物性建模
      下面所说仅对单元中心法适用。
      当具有变化物性 (如导热系数随温度变化) 的单元与具有常系数的单元相连时,为提高结果精度,可在两者之间定义低一维的内边界单元。
      单元 CG 法自动在单元边界上生成一个计算点,不需要再添加内部边界。
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多层壳单元
      对于具有不均匀温度梯度的薄材料,可以用多层壳单元 (Multilayer Shell Element) 来构建简明准确的模型。
      为激活多层壳单元选项,只需在壳单元的物理属性中输入层数 (必须是奇数,最多 9 层):
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      在求解时,TMG 将按指定的层数划分单元。在层间自动生成传热率,每一层均赋予适当的热容量。TMG 将报告其赋给每一层的单元标号。
      只在中间层上建立基于壳单元厚度的相邻多层壳单元之间的导热。
      可以使用变化的物性或正交各向异性 (如沿平板方向的导热系数不同于厚度方向)。
      对多层壳单元定义热耦合时,TMG 自动基于几何形状在其与适当的外层之间建立导热。
      温度边界条件被施加到中间层上。
      热载荷施加到顶层上 (由单元三元数组确定)。与非几何单元的热耦合总是建立在顶层。在这两种情况,可以通过为单元创建和选择 Reverse Side (反侧) 来选用底层。
      利用 Calculation Domain 中的 Shell 选项,可以对多层壳体模型中任一层的结果进行后处理。
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