Средствами компьютерного моделирования

Инженерный анализ, связан с использованием основных физических принципов для решения задач с целью получения за приемлемое время приемлемых решений. Важным положением здесь являются: основные принципы, приемлемое время решения и приемлемое (имеющее смысл) решение. Выполняя инженерный анализ, инженер должен знать об ограничениях, свойственных избранному способу решения задачи. Инженер должен также представлять себе, означает ли «приемлемое время решения» сутки, неделю или год. Кроме того, он должен знать о своих недостатках и сильных сторонах и в возможностях находящихся в его распоряжении вычислительных устройств и аппаратуры для экспериментальной работы.

Центральным объектом при работе явля­ется проект, под которым понимается совокупность геометриче­ских, физических и конечно-элементных моделей тел рассматри­ваемой задачи, а также результатов численного решения. Проект может состоять из одного или нескольких блоков, реализующих от­дельные виды инженерного анализа. В свою очередь, блок состоит из элементов – структурных частей блока, отвечающих за опреде­ленный этап анализа. Можно выделить следующие этапы проведе­ния инженерного анализа:

- разработка модели (препроцессинг). На данном этапе осуще­ствляется подготовка геометрической модели, задание материала и его свойств, генерация конечно-элементной сетки, определение физи­ческих условий моделирования. Конечным результатом этапа являет­ся модель, подготовленная для численного решения;

- настройка решателя и решение. На данном этапе задаются не­обходимые настройки решателя, параметры, обеспечивающие сходи­мость итерационного процесса, и запускается решатель. Конечным результатом этапа является численное решение, полученное с задан­ной точностью;

- обработка результатов (постпроцессинг). На данном этапе по­лученное численное решение задачи используется для визуализации распределения необходимых физических величин (напряжений, де­формаций, температур и др.). Конечным результатом этапа является набор графиков, анимаций, массивов значений, представляющих не­обходимые результаты решения задачи.

Процедура инженерного анализа редко бывает линейной. При решении практической задачи, как правило, приходится часто воз­вращаться к предыдущим этапам, вносить изменения в модели, пере­страивать сетку, корректировать настройки решателя.

 

1.1. Анализ тепловых явлений

 

При решении тепловых задач вычисляются распределения температур (температурные поля) и соответствующие (рассматриваемой задаче) тепловые величины в рассчитываемой системе или ее части. Типичными тепловыми ве­личинами, представляющими интерес при тепловом расчете, являются:

- температурные поля;

- количество подведенного или отведенного тепла;

- градиенты температур;

- плотности тепловых потоков.

Тепловое моделирование играет важную роль в многочисленных инже­нерных приложениях, включая нагнетатели и тепловые двигатели, теп­лообменники, высоко- и низкотемпературные теплотехнологические установки и т.д.

Существует два типа теплового анализа:

1. При решении стационарных тепловых задач определяются распреде­ление температур (температурное поле) и другие тепловые величины при ста­ционарных граничных условиях. Стационарные граничные условия означают ситуацию, когда их изменением можно пренебречь.

2. При решении нестационарных тепловых задач определяются темпера­турное поле и другие тепловые величины при граничных условиях, которые из­меняются в течение рассматриваемого периода времени.

При решении стационарных тепловых задач могут быть определены температуры, градиенты температур, тепловые потоки и плотности тепловых потоков в объектах, к которым приложены тепловые граничные условия, не из­меняющиеся с течением времени. К таким условиям относятся:

- конвекция;

- лучистый теплообмен;

- тепловой поток;

- плотность теплового потока (тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности теплообмена);

- интенсивность объемного тепловыделения (тепловой поток, выде­ляющийся в единице объема);

- постоянная температура на границах.

Стационарные задачи могут быть линейными (при постоянных теплофизических свойствах материала) или нелинейными, если свойства материала модели зависят от температуры. Теплофизические свойства большинства ма­териалов зависят от температуры, поэтому обычно задача нелинейна. Лучи­стый теплообмен на поверхности модели также делает задачу нелинейной.

При решении за­дач нестационарного теплообмена определяются температуры и другие тепловые величины, которые изменяются с течением времени. Обычно инженеры исполь­зуют температуры, которые являются результатом решения нестационарных теп­ловых задач, при расчете термических напряжений. Задачи нестационарного теп­лообмена встречаются во многих инженерных приложениях, таких, как сопла, де­тали двигателей, насосов, сосудов под давлением и т.п.

При решении задач нестационарного теплообмена выполняются, в основ­ном, такие же процедуры, как при решении стационарных задач. Главное разли­чие состоит в том, что большинство граничных условий в нестационарных задачах являются функцией времени. При определении зависимых от времени граничных условий Вы можете использовать или функциональную зависимость, или пред­ставить эту зависимость в виде кривой, или разделить эту кривую на шаги.

При проведении теплового расчета необходимо решить следующие три главные задачи:

- построить модель;

- приложить граничные условия и получить решение;

- проанализировать полученные результаты.

В следующих разделах рассказывается о том, что Вы должны сделать для решения тепловых задач. Представлено общее описание шагов, ко­торые необходимо выполнить для решения каждой задачи.