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  Stromfluss um 90° Ecke - je kleiner Elementgröße desto höher Joulesche Wärme

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Autor Thema:  Stromfluss um 90° Ecke - je kleiner Elementgröße desto höher Joulesche Wärme (1733 mal gelesen)
SarahFEM
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erstellt am: 26. Dez. 2017 23:36    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


jheat-vs-elementgroesse.png

 
Hallo zusammen,

ich simuliere einen stromdurchflossenen Leiter in einer 3D-Simulation. Der Leiter hat eine 90° Biegung, in dem es eine Stromeinschnürung gibt.

Nun möchte ich mir die Wärmequellen anzeigen lassen (ples,jheat). Dabei habe ich die Elementgrößen in dem Eckbereich variiert und festgestellt, dass bei kleinerer Elementgröße eine höhere joulesche Wärme angezeigt wird. Soweit so klar, schließlich wird ein kleinerer Bereich um die Ecke herum dann betrachtet und dort ist nunmal die Stromeinschnürung.

Was ich nun nicht verstehe ist, wenn ich die Elementgröße immer weiter reduziere, warum dieser Joulewert nicht konvergiert? Ich reduziere die Elementgröße bis auf 2,5 um und der jheat-Wert steigt weiter an. Tiefer kann ich schon gar nicht mehr gehen, weil dann das Vernetzen nicht mehr funktioniert.

Meine Frage ist nun: Hab ich vllt. einfach noch nicht die richtige (winzige) Elementgröße erreicht oder konvergiert es nie?

Ich simuliere bei einer Frequenz von ca. 10 kHz.

Vllt. hat jemand eine Idee was man bei so einem Problem machen kann oder ob bei mir ein Denkfehler vorliegt?


Gruß Sarah

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Duke711
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erstellt am: 27. Dez. 2017 02:58    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für SarahFEM 10 Unities + Antwort hilfreich

Ganz im Gegenteil, umso feiner die Elementauflösung, umso schlimmer wird es.
Es ist ein bekanntes und altes Problem: Angrenzende RBs, dazu zählen auch teilweise die Goemetriegrenzen, könnnen zu Beeinträchtigungen bzw. zu Verfälschungen führen. Nicht umsonst gibt es den groben Richtwert:
RBs ca. im Abstand von 6 Kantenlängen zum Beobachtungsraum.


[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 27. Dez. 2017 editiert.]

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wosch
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Rechne zuerst ein Problem nach, für das Du eine analytische Lösung kennst.

erstellt am: 27. Dez. 2017 09:28    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für SarahFEM 10 Unities + Antwort hilfreich

Die Ecke ist ein singulärer Punkt. Hier ist die Feldstärke und damit auch die Stromdichte unendlich. Und das errechnet auch Ansys. Damit ist alles in Ordnung und entspricht den Erwartungen.
Praktisch ausgeführte Leiter haben aber keine unendlich scharfe Ecke, sondern einen (wenn auch kleinen) Radius.

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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SarahFEM
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erstellt am: 27. Dez. 2017 15:48    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


meshjheat.png

 
Vielen Dank für die aufschlussreichen Antworten!

Was hat es mit der Abkürzung bzw. Bezeichnung "RB" auf sich? Wie ist die Faustregel mit den 6 RB's zum Beobachtungsraum zu verstehen? Gibt es da vllt. eine Quelle oder Hinweis in der Anleitung oder ist das eine gängige Vorgehensweise?

Beigefügt ein paar Bilder (Vernetzung + Leistungsdichte). Wie sollte ich dort nun die Elemente auslegen bzw. was wäre in dem Fall der Beobachtungsraum?

Dass in der Ecke die Feldstärke unendlich ist macht durchaus Sinn, da es (wie geschrieben) eine Singularität darstellt. Mein Ansatz war, dass der Strom dort begrenzt ist aufrund der temperaturabhängigen Eigenschaften vom Kupfer, aber selbst ein geringer Strom würde ja in der Singularität ein unendliches Feld erzeugen.

Wäre der beste Ansatz nun, einen kleinen Radius (z.B. 0,5 mm) zu modellieren und dann die Ecken in kleine Elementen zu vernetzen oder gibt es auch gute Möglichkeiten, bei denen die Ecke scharfkantig gelassen werden kann?


Gruß Sarah

[Diese Nachricht wurde von SarahFEM am 27. Dez. 2017 editiert.]

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wosch
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Rechne zuerst ein Problem nach, für das Du eine analytische Lösung kennst.

erstellt am: 27. Dez. 2017 18:30    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für SarahFEM 10 Unities + Antwort hilfreich

Ja, was soll schlussendlich ausgewertet werden?
Wenn es um die Temperatur geht, muss berücksichtigt werden, dass das Kupfer eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit hat und damit keine großen Temperaturunterschiede haben kann. Wenn es sich aber um eine extrem kurzzeitige Impulsbelastung sehr hoher Energie handelt, können größere Temperaturunterschiede (bis zur Schmelztemperatur) auftreten.
Man sollte also in einer Testrechnung einfachster Geometrie Voruntersuchungen machen um daraus die Rechtfertigung für die Vernetzung des Originalmodells abzuleiten.

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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SarahFEM
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erstellt am: 27. Dez. 2017 19:21    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Es wird ein zyklisch eingesetzter Induktor untersucht. Der Strom (ca. 3000 A) ist so hoch, dass die Temperaturverteilung im Kupfer (trotz der guten Wärmeleitfähigkeit) sehr inhomogen ist und mechanische Spannungen hervorruft, von denen ich schlussendlich die Materialermüdung berechnen möchte. Die Induktortemperaturen liegen bei ca. 50 - 150 °C.

Allerdings möchte in dieser Untersuchung erstmal nur die Korrektheit der Wärmequellenverteilung [W/m³] betrachten. Laut Aussage eines Kollegen muss man bzgl. Elementgröße drauf achten, dass man ca. 2-3 Elemente pro Stromeindringtiefe hat. Da ich mit Kupfer arbeite, wären dies ca. 0,25 mm / Elementgröße. Aber eine zuverlässige / wissenschaftliche Quelle hab ich diesbzgl. nicht.

Mir ist noch nicht ganz klar wie so eine Geometrie-Voruntersuchung aussehen könnte. Ist der Ansatz der, einen Strom durch den Leiter zu schicken, und dann über die Elementgröße die Leistungsdichte (analytisch) zu bestimmen? Aber wie soll dies bei einer Biegung verifiziert werden?


[Diese Nachricht wurde von SarahFEM am 27. Dez. 2017 editiert.]

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Duke711
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erstellt am: 27. Dez. 2017 19:27    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für SarahFEM 10 Unities + Antwort hilfreich

RB steht für Randbedingung: Lasten, gesperrte Freiheitsgrade etc.
Geometriegrenzen -> unendlich scharfe Ecken etc.

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wosch
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erstellt am: 28. Dez. 2017 09:25    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für SarahFEM 10 Unities + Antwort hilfreich

Ein leerlaufender Induktor (ohne Werkstück) ist kein regulärer Betriebszustand. Die Ströme in Induktor und Werkstück fließen immer an den aneinander zugewandten Oberflächen in Werkstück und Induktor. Dabei treten oft enorme Kräfte auf. Deshalb gibt es eine stark inhomogene Stromdichteverteilung im Induktor. Der Eckeneinfluß wird gering sein, unter anderem auch dadurch, dass die Wärme an der Ecke gut ins tiefer liegende Kupfermaterial abgeführt werden kann.
Die zur Zerstörung führenden Kräfte kommen nicht durch inhomogene Erwärmung, sondern hauptsächlich durch die Kraftwirkung der entgegengesetzt fließenden Ströme.

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Wolfgang Schätzing

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SarahFEM
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erstellt am: 28. Dez. 2017 10:24    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Ich untersuche den Prozess mit Werkstück und der Einfluss (--> Proximity Effect) ist auch in den Ergebnissen deutlich zu erkennen.

Den Einfluss der Lorenzkräfte habe ich auch untersucht und dieser ist bedeutsam, allerdings kann man diesem gut durch Stabilisierungen entgegenwirken.

Derzeit bin ich noch etwas ratlos hinsichtlich der richtigen Elementlänge. Wenn ich sie kurz mache, näher ich mich der Feldstärkeproblematik in der Singularität und wenn sie zu lang sind, fürchte ich, die Leistungsdichten in den Ecken unterzubewerten.

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erstellt am: 28. Dez. 2017 17:24    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für SarahFEM 10 Unities + Antwort hilfreich

Es wäre vielleicht anzuraten, mal mit mehreren verschiedenen Netzdichten zu rechnen und danach das Integral über mehrere Elemente in der Ecke (vielleicht bis zur Dicke der Eindringtiefe)(in Würfelform) auszuwerten. Wenn die sich nicht deutlich unterscheiden, wird die Vernetzung dort keine wesentlich Rolle spielen.
Auf was soll denn die Leistungsdichte in der Ecke Einfluss haben?

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Wolfgang Schätzing

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SarahFEM
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erstellt am: 01. Jan. 2018 14:57    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Bei sehr hohen lokalen Leistungsdichten in dem sehr kleinen Element hat mir das Fatigue-Modul eine hohe Stressintensität berechnet. Das erkläre ich mir so, dass in dieser Ecke aufgrund der hohen Temperatur das Kupfer stark expandiert und es zu Spannungen kommt.

Ich habe nun eine Parameterstudie aufgestellt mit unterschiedlichen Elemntgrößen und auch Eindringtiefen, wobei sich diese um die Stromeindringtiefe herum befindet. Anschließend habe ich die jheat-Werte in den einzelnen Elementen aufintegriert.
Das Ergebnis ist, dass mit kleinerer Elementgröße der Wert der mittleren Leistungsdichte konvergiert  Demzufolge sehe ich nun, wie groß die Elementgröße sein muss, damit die Leistung konstant bleibt (max Elementgröße ca. 1/4 der Stromeindringtiefe).
Als feiner zu meshenden Bereich nehme ich nun 2x Stromeindringtiefe, weil dies auch meiner Wandstärke (1,5 mm) entspricht und so habe ich eine gleichmäßige Netzverteilung um die Singularität herum.
Die Variante mit Radius werde ich allerdings auch erproben, um mal einen Vergleich zu haben.
Insofern hat mich dieser Vorschlag viel weiter gebracht und ich weiß jetzt wie mit der Thematik umzugehen ist. Vielen Dank für die Hilfe, die Frage ist somit geklärt :-)

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