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Hallo Leute

ich hab folgendes Problem:

Ich hab einen definiert gebogenen Draht, durch ein Strom fließt. Aufgrund des elektrischen Widerstandes ensteht eine Verlustleistung, die dafürt sorgt, dass sich der Draht erwärmt und dehnt. Dadurch kommt es zu einer lokalen Änderung der Geometrie im Draht, die dafür sorgt das es zu einer lokalen Widerstandsänderung kommt. Die Folge von diesen ganzen Effekten ist, dass es an ganz bestimmten Punkten in der Geometrie zu einer stärkeren Erwärmung kommt als im restlichen Volumen.

Mein Frage ist nun, wie lasse ich sowas im Ansys berechnen? Vom Prinzip her müsste ich in einem definierten Zeitschritt die Verlustleistung bzw. die Erwärmung des Drahtes berechnen, im Anschluß die Deformation des Volumens und mit dem deformierten Gitter im nächsten Zeitschritt die Erwärmung usw.

Lässt sich sowas mit einer Multiphysikanalsyse durchführen und wenn ja wie? Bzw. in welcher Literatur finde ich was darüber?

MFG

Tilo

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Ja, so etwas lässt sich gut mit ANSYS berechnen, sehr gut sogar, wenn keine Wirbelströme berücksichtigt werden müssen. Trotzdem sollte geprüft werden, ob einige der genannten Abhängigkeiten rückwirkungfrei sind. Wenn Nichtlinearitäten zu berücksichtigen sind, ist mit erheblichen Rechenzeiten zu rechnen.

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Hallo!

Ich habe auch schon versucht, eine Widerstandsänderung aufgrund einer geometrischen Änderung des Widerstandes zu simulieren. Habe es dazumal nicht geschafft. Geht das mit dem Multifield-Solver oder/und mit einem Coupled-Field Solid (z.B. Solid226)

Freundliche Grüsse
Markus

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Schön das es darf einen Lösungsansatz gibt. Kannst du mir einen Hinweis darauf geben, was man dafür in Ansys eingeben bzw. wo ich etwas darüber nachlesen kann?

mfg

Tilo

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Früher stand für eine solche Aufgabe solid5 zur Verfügung. Heute wird man solid226,111 verwenden. Ein Beispiel für den ersten Teil der Kopplung (elektrisch-thermisch) findet sich in FEM für Praktiker Band 4 Elektrotechnik Seite 70ff.
Zur Programmentwicklung sollte man zunächst von einer sehr einfachen, leicht überschaubaren Geometrie ausgehen und erst später die reale Aufgabe angehen.
Für welche Problemstellung hat eine solche Aufgabenstellung praktische Relevanz?

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Hallo

ich kenne das Beispiel aus dem Buch FEM Praxis Teil Elektrotechnik. Das Problem an der Aufgabe ist, dass die Widerstandsänderung nur aufgrund der Temperaturentwicklung "entsteht". Mein Ziel ist es aber auch die Änderung, die durch die Deformation der Geometrie entsteht mitzubeachten. Daher wollte ich zu jeder Temperaturänderung die Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Temperatur und der Geometrie des Volumens berechnen.

Zu deiner Frage, wo dieses Thema interessant ist. Ich beschäftige mich mit Leistungselektronik, besonders mit der Verdrahtung dieser, wo allein solche Temperaturspitzen (z.B. Knickpunkte im Draht)im Drahtvolumen zur Verringerung der Lebensdauer des Sytemes führen können.

MFG
Tilo

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Ändert sich denn wirklich die Geometrie bei Temperaturänderung eines Körpers aus einem einzigen Werkstoff. Der Körper wird größer, also länger und breiter und damit nimmt sein Widerstand bei gleichbleibender Leitfähigkeit ab.

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Die Leitfähigkeit ist im meinem Fall nicht konstant. Daher mit zunehmender Eigenerwärmung nimmt diese ab. Desweiteren ist der Draht an mehreren Punkten fixiert ( die Bauteile, zwischen denen der Strom fließen soll). Diese Fixpunkte bewegen sich durch die thermische Dehnung der Bauteile voneinander weg. Daher ist hier eine Überlagerung von thermischer und mechanicher Dehnung. Die Folge davon ist, dass du an kritischen Punkten, z.B. Knickstellen, Verjüngungen,...  eine Einschnürung des Drahtes hast, die zu einer lokalen Widerstanderhöhung führt.

Für eine einfache Analyse, wo die Temperaturverteilung im Draht von Interesse ist kann man diese Überlagerung vernachläßigen. Das Ziel aber bei mir ist, dass am Ende eine Lebensdaueranalyse rauskommt. 

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Ja, für die Ermittlung der Einflussgrößen auf die Lebensdauer braucht es eine Hypothese, die es dann nachzurechnen gilt.
Einmal könnte man voraussetzen, dass ein Verbindungsdraht länger wird, weil sich die Kontaktstellen voneinander entfernen. Um dieser Gefährdung zu begegnen, führt man den Draht gebogen aus. Damit biegt er sich etwas, wird aber kaum länger.

Ein Versagen des Drahtes kann aber auch dadurch zustande kommen, dass er an scharfen Bögen (Knickstellen) durch schlechtere Wärmeabfuhr dort heißer als seine Nachbarstücken wird. Dadurch wird er dort weicher und durch die Pinchkräfte nimmt sein Durchmesser ab (Kriechen). Diese Querschnittsverringerung führt zu verstärkter Erwärmung (Mitkopplung), bis der Draht schließlich schmilzt (Versagen).

Also, zuerst festlegen, welche Konstellation gerechnet werden soll und dann mit einer einfachen Geometrie anfangen.

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Stromleiter_code.txt

Hallo alle zusammen, ich hab mir das Thema hier eben durchgelesen und das passt schon mal sehr gut zu meinem Problem. Ich soll folgendes simulieren: durch ein Werkstück fliesst in einer bestimmten Zeit (zum Bsp. 1ms) ein Strom von 1000A bis 5000A durch. Bei realen Versuchen wird eine deutliche Ausdehnung und Temperaturzunahme des Werkstücks beobachtet. Jetzt soll ich in der Simulation zeigen um wieviel °C die Temperatur genau zunimmt, wie sich das Werkstück dehnt und da es vom Strom durchflossen wird, entsteht ja ein Magnetfeld, also wäre auch die Stärke oder Kraft des Magnetfelds interessant(bin kein Elektrotechniker). Ich hab zwar nicht das Buch mit dem Beispiel für "Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters", aber dafür das Kapitel, nur da gehts ja nur um die thermische Auswirkung. (FEM für Praktiker Band 4). Ich hab hier noch den Code angehängt (Mac-Datei) und hoffe, dass mir jemand Tipps geben kann, wie ich die Dehnung und das Magnetfeld implementieren kann.

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5000 A und eine Millisekunde, das kann man zwar rechnen, aber realitätsnah ist das in den meisten Fällen sicherlich nicht. In der Realität wird der Strom nur mit einer bestimmten Stromanstiegsgeschwindigkeit ansteigen.
Dabei auftretende Kräfte sind bei einem Massivleiter nur sinnvoll im Zusammenhang mit einem Rückleiter zu berücksichtigen. (Strom fließt nur in einem geschlossenen Kreis.)
Was aber viel entscheidender sein wird, sind Stromverdrängungseffekte. Der Strom fließt bei (starker) Stromzunahme vorwiegend in oberflächennahen Schichten und findet dort eine kleinere Querschittsfläche und damit einen höheren Widerstand vor. Dies bedeutet eine erhöhte Verlustleistung.
Wenn eine deutliche Temperaturzunahme zu erwarten ist, muss vielleicht auch die Temperurabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit berücksichtigt werden.

Man kann nahezu alles berechnen. Aber der Aufwand steigt gewaltig. Deshalb ist vor einer Modellbildung abzuschätzen, welche Effekte berücksichtigt werden sollen bzw. müssen.
Man wird deshalb das Modell nur so gut wie nötig (und nicht so gut wie möglich) gestalten.
Entscheidend ist die Zielstellung: was soll die Untersuchung erbringen?

(Also einfach mit noch ein paar zusätzlichen Materialeigenschaften ist es nicht getan!)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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OK, danke schon mal für die eine Antwort. Ich hab mich vielleicht nicht deutlich genug ausgedrückt. Also das Problem sieht wie folgt aus: der Körper (der vom Quellcode weiter oben erzeugt wird) wird oben und unten mit einer Stromquelle verbunden. Jetzt werden Stromimpulse von etwa 5000 A der Zeitdauer von etwa 0,1ms durch das Werkstück geschickt. Ich möchte ertmal nur einen einzigen Stromimpuls nachbilden. Es wurden bereits reale Versuche mit dieser Konfiguration durchgeführt und es wurde ein Temperaturanstieg von etwa 1 bis 2°C festgestellt und der Körper hat sich gedehnt, nur weiß bis jetzt noch niemand, warum sich der Körper gedehnt hat. Die Möglichkeiten sind: thermische Dehnung, Dehnung wegen des Magnetfelds oder beide Dehnungsarten zusammen. Jetzt soll ich mit der Simulation rausfinden welche Kräfte im Körper herrschen. Da die Temperatur ja wie gesagt nur gering ansteigt, denke ich spielt die thermische Dehnung nicht so große Rolle. Die Leute, die den Versuch durchgeführt haben,haben erzählt dass die Dehnung aber mit bloßem Auge zu sehen war, also muss irgendeine andere Kraft vorhanden sein. Ich kann micxh noch ganz dunkel an die Elektrotechnik-Vorlesung erinnern, dass starke Magnetfelder Dehnungen hervorrufen können. Und jetzt nochmal meine Frage, kann man dem oben genannten Ansatz noch ein paar Zeilen hinzufügen, die dann die Magnetfeldauswirkungen visualisieren? Ich habe den Elementtyp solid98 gewählt, weil man damit laut ANSYS-Help auch Magnetfelder berücksichtigen kann, oder könnt ihr mir was besseren/sinnvolleren Elementtyp empfehlen? Danke im Voraus

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Den Einfluss der einschnürenden Kräfte kann man in einer zweistufigen Rechnung untersuchen. Im ersten Schritt wird die Volumenkraftdichte als Funktion der Zeit ermittelt. (Dazu besser mit Hexaedern solid97 vernetzen.) Dabei muss auch noch ein Luftraum mit einer äußeren Randbedingung um den Leiter herum mit modelliert werden. (Dazu auch ein Beispiel in FEM für Praktiker Band 4)
Dann wird der Elementtyp gewechselt und in einer Strukturrechnung die Verformung berechnet. Dabei sind die zuvor errechneten Volumenkraftdichten die Lasten.

(Näherungweise können die Kräfte auch in einer statischen Berechnung ermittelt werden. dabei wird dann die Stromverdrängung nicht berücksichtigt.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Danke nochmal, dann muss ich mal meinen Betreuer von der Notwendigkeit des 4.Bandes von FEM für Praktiker überzeugen.

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broiler4.txt

Um einen Eindruck von der Vorgehensweise zu vermitteln, habe ich mal einen Versuch für Gleichstrom gemacht. Siehe Anlage

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Stromleiter.txt

Also ich bin inzwischen auf einen anderen/neueren Elementtyp (solid227) umgestiegen, weil damit eigentlich alle von mir geforderten Eigenschaften berücksichtigt werden. Am Ende der Simulation bekomme ich auch wie gewünscht die Werte zum Temperaturanstieg, die Joule'sche Erwärmung, die thermische Dehnung, sogar sogar wenn ich electric field auswähle bekomme ich ein Ergebnis. Nur leider ändert sich nichts, wenn ich zum Bsp. Magnetic Field Intensity oder Magn Flux Intensity auswähle. Und wenn ich magnetic force auswähle, dann kommt die Fehlermeldung: "The requested FMAG Data is not available. The PLNSOL Command is ignored." Wenn ich das richtig verstehe, werden noch weitere magnetischen Eigenschaften benötigt, die vorher deklariert werden müssen? Weiß jemand, wie man die Magneteigenschaften "aktivieren" kann. Den momentan funktionierenden Quellcode hab ich nochmal hochgeladen.
Vielen Dank im Voraus.

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Hier handelt es sich um ein Problem ähnlich der Magnetumformung und das kann man mal nun nicht mit den gegenwärtig verfügbaren Elementen (vielleicht auch künftig nicht) in einem Schritt rechnen. Es sind immer mindestens zwei Analysen mit unterschiedlichen Elementen nötig. Natürlich kann man mit solid236 (vorausgesetzt Ansys12 steht zur Verfügung) die magnetischen Kräfte berechnen. (Auch dafür gibt's in FEM für Praktiker Band 4 ein Beispiel.) Mit diesen Kräften lässt sich mit anderen Elementen die Umformung rechnen. Ob dazu solid226 Vorteile bringt ist nicht wahrscheinlich.

Eine typische Anfängerstrategie besteht darin, eine komplizierte realitätsnahe Geometrie zu modellieren, dann die Bedingungen aufzugeben und dann auf den Startknopf zu drücken und zu hoffen, dass die Rechnung ordentliche Ergebnisse liefert.
Viel sinnvoller wäre es, eine sehr einfache Geometrie mit schrittweise aufgebrachten Bedingungen schrittweise zu rechnen, wobei Einzelschritte durch eine parallele analytische Rechnung kontrolliert werden können. Ohne ein physikalisches Verständnis der Zusammenhänge bei der Modellierung wäre ein richtiges Ergebnis ein Glücksfall.
Erst wenn das alles funktioniert, wenn also der Berechnungsalgorithmus klar ist, dann sollte man zur realitätsnahen Geometrie übergehen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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ANSYS 12 steht zur Verfügung und die Geometrie ist jetzt auch nicht soooo sehr kompliziert, ist ja nur ein Doppel-T-Träger. Ich bin erst nächsten Montag wieder im Institut, bis dahin hab ich leider keinen Zugriff auf Ansys und kann nichts neues ausprobieren. Aber dafür ist das Buch FEM für Praktiker Band 4 endlich angekommen. Vielleicht komme ich damit ja weiter. Vielen Dank für die bisherige Hilfestellungen

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@wosch:
Ich hab mir noch mal Ihren Anhang zu meiner Aufgabe angesehen und Sie schlagen ja vor "antype,harm" mit der Frequenz von 0,1 rechnen zu lassen. Woher weiss ANSYS dann, dass der Strom nur 1ms lang durch das Werkstück fliesst?
Dass man zweistufig rechnen muss, sehe ich inzwischen ein, da weder solid226 oder 227 die Magnetkraft ausgeben, nur wie kann ich den zweiten Schritt an meine vorangegangene erste (transiente) Berechnung anknüpfen? Wie schon erwähnt, erhalte ich aus der ersten Berechnung mit den oben genannten Elementtypen alles, was ich haben will, außer der Magnetkraft. Diese Endzustände möchte ich gerne in den zweiten Schritt übernehmen (mit ldread?)

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Wer lesen kann und es dann noch tut, ist klar im Vorteil:
Das war eine Lösungsvariante für Gleichstrom!
Wer die verstanden hat, kann sich an die transiente Lösung wagen, wobei aber ...
Wer die nicht verstanden hat, braucht sich gar nicht an der transienten Lösung  versuchen.

Wenn die magnetischen Kräfte berücksichtigt werden sollen, ist zuerst das physikalische Verständnis erforderlich, am dem es hier aber scheinbar fehlt. Man kann das aber auch nicht von einem Nichtelektrotechniker erwarten. (Ich habe, um so etwas zu beherrschen mindestens ein Jahr gebraucht. Allerdings musste ich in der Zeit auch noch etwas anderes machen.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zitat:

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Original erstellt von wosch:
Wer lesen kann und es dann noch tut, ist klar im Vorteil:

Man kann das aber auch nicht von einem Nichtelektrotechniker erwarten. (Ich habe, um so etwas zu beherrschen mindestens ein Jahr gebraucht. Allerdings musste ich in der Zeit auch noch etwas anderes machen.)

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Eben, Sie sagen es! Ich habe im ersten Beitrag gleich erwähnt, dass ich keine Ahnung von E-Technik habe und daher auch auf hilfreiche Beiträge von Leuten, die davon Ahnung haben gehofft.

Achso, ich habe in einem Jahr gelernt perfekt Spanisch zu sprechen, weil ich es gebraucht habe - ich habe auch meine Stärken ;-)

Achso nur so nebenbei, den Umgang mit ANSYS musste ich mir auch selbst beibringen, ohne vorher irgendwelche Kurse oder ähnliches besucht zu haben, deswegen behaupte ich mal, dass mir evtl. sogar grundlegende ANSYS-Kenntnisse fehlen.

Schönes Leben noch!

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