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  Wärmeentwicklung nach Kurzschluss in ANSYS WB 15.0 simulieren

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Autor Thema:  Wärmeentwicklung nach Kurzschluss in ANSYS WB 15.0 simulieren (2223 mal gelesen)
folefste
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Beiträge: 2
Registriert: 01.09.2014

erstellt am: 05. Sep. 2014 15:56    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

Hallo, ich möchte für meine Uni-Projekt die Erwärmung nach einem Kurzschluss mit ANSYS 15.0 (Workbench) simulieren und analysieren.  thermische sowie mechanische Einflüsse untersuchen.
Die Wärme stammt aus einen Punkt im inneren des Zylinderstabes und breitet sich auf dem gesamten Stab aus.
Ich habe im schwerpunkt des Bauteils eine Kugel angebracht und mit eine Temperatur erwärmt... ist es richtig so?. oder wie kann ich im ANSYS WORKBENCH die Wärmequelle im Mitte (Schwerpunkt) des Bauteil anbringen?
vielen Dank im Voraus

Stef

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Rainer Schulze
Ehrenmitglied V.I.P. h.c.
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Beiträge: 4419
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erstellt am: 05. Sep. 2014 16:55    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 folefste 10 Unities + Antwort hilfreich

>>die Erwärmung nach einem Kurzschluss
>>Ich habe im schwerpunkt des Bauteils eine Kugel angebracht und mit eine Temperatur erwärmt

Hast Du denn verlässliche Informationen, wie sich der zeitliche Verlauf des Stroms und damit die zeitliche und räumliche Verteilung der Wärme im Fall eines Kurzschlusses entwickelt?

Deine Beschreibung klingt nach einer rein thermischen Betrachtung.
Und eine punktförmige Wärmequelle IN einem Zylinderstab kann ich nicht nachempfinden.
Wird das nicht eher ein "Flächenbrand" sein, eventuell bei hoher Spannung mit einem Lichtbogen und veränderlichem Übergangswiderstand?
Elektromagnetische Begleiterscheinungen?
Über welche Leerlaufspannung und Stromstärke diskutieren wir hier?

------------------
Rainer Schulze

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wosch
Ehrenmitglied V.I.P. h.c.
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Rechne zuerst ein Problem nach, für das Du eine analytische Lösung kennst.

erstellt am: 05. Sep. 2014 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 Nur für folefste 10 Unities + Antwort hilfreich

Wenn der Kurzschluss außerhalb des "Zylinderstabes" stattfindet, wird der Kurzschlusstrom annähernd homogen (zumindest bei 50 Hz) im Stab fließen. Dann wäre der Strom Ursache für die Erwärmung. Bei kurzzeitigen Vorgängen könnte man auch adiabat rechnen. Also transient elektrisches Strömungsfeld mit Strukturmechanik rechnen.

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

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wosch
Ehrenmitglied V.I.P. h.c.
Elektrotechniker im Ruhestand


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Beiträge: 2607
Registriert: 16.12.2004

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

erstellt am: 05. Sep. 2014 20:01    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 folefste 10 Unities + Antwort hilfreich

Wenn der Kurzschluss in der Mitte das Stabes angenommen werden soll, dann ist das kein Kurzschluss, sondern das Problem des Abschmelzens einer Sicherung. Dabei wird der Leiter an einer Stelle infolge Erwärmung mechanisch weich, die magnetischen Kräfte führen zu einer Einschnürung, damit steigt durch die Querschnittsverringerung die Erwärmung (Mitkopplung).
Dann erfolgt der Stromabbruch durch Leiterunterbrechnung. Die Schmelze erkaltet kugelförmig.

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

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Rainer Schulze
Ehrenmitglied V.I.P. h.c.
Dipl.-Ing. im Ruhestand


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Beiträge: 4419
Registriert: 24.09.2012

erstellt am: 06. Sep. 2014 09:46    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 folefste 10 Unities + Antwort hilfreich

>> dann ist das kein Kurzschluss, sondern das Problem des Abschmelzens einer Sicherung

@Wolfgang:
Möglicherweise ist Dein Einfühlungsvermögen ja besser entwickelt als meines. Bei "Kurzschluss" habe ich eben nur an den Ort gedacht, an dem der Kurzschluss auftritt.

@Stef:
Wenn ich Wolfgangs Auslegung folge, dann handelt es sich bei der Geometrie eines Zylinderstabes wohl um eine Feinsicherung für etwa 0,1 bis 1A. Bei Sicherungen für hohe Stromstärken ist die Annahme eines gleichförmigen Drahtes schon fragwürdig.
Ein gleichförmiger Draht jedoch stellt auch einen gleichförmigen Widerstand dar, der über die gesamte Länge gleichmäßig erwärmt wird.
Bei niedrigen Temperaturen wird die Wärme durch Leitung in die Halterung abgeleitet. Bei hohen Temperaturen kommt ein Anteil an Wärmestrahlung hinzu.
Ist die Stärke des betrachteten Stroms wesentlich höher als der Ansprechwert der Sicherung, so spricht diese schnell an. Dann kann für die Wärmeableitung angenommen werden, dass die Halterung über eine ausreichende Wärmekapazität verfügt, um die Temperatur an den Enden des Drahtes als konstant und gleich der Umgebungstemperatur anzunehmen. Will man jedoch genau den Grenzfall betrachten, bei welchem Strom die Sicherung gerade eben anspricht, so muss vermutlich der Aufbau des Bauteils und die eigentliche Halterung mit einbezogen werden. 

>>Dann erfolgt der Stromabbruch durch Leiterunterbrechung

Hier kommt meine Frage nach der Betriebsspannung des Stromkreises ins Spiel: Für Niederspannungskreise bis 24V ist die Aussage von Wolfgang ausreichend. Elektroschweißen aber arbeitet mit Spannungen, die nicht wesentlich höher sind. Mit anderen Worten: Liegt die Sicherung im 220V-Kreis eines Netzteils, so wird es bei der Unterbrechung des Stromkreises kurzzeitig zu einem leitfähigen Lichtbogen kommen, der mit seiner hohen Temperatur die Drähte so lange abschmelzen lässt, bis die Luftstrecke weit genug ist, um den Lichtbogen erlöschen zu lassen. Das verlängert die Abschaltzeit.
In einem solchen Fall erscheint das Metall des Sicherungsdrahtes in allen drei Aggregatzuständen: fest, flüssig, und als hoch temperiertes Plasma.

Etwas ausführlichere Angaben zum Szenario und der Zielstellung der Simulation wären also hilfreich zur weiteren Beurteilung.

------------------
Rainer Schulze

>>Dann erfolgt der Stromabbruch durch Leiterunterbrechnung

Ach ja - wenn man äußere Einflüsse wie eventuelle Vibration außer Betracht lässt, wirkt hier alleine die Schwerkraft auf das verflüssigte Material. Damit kann - je nach Aufbau der Sicherung - auch die Einbaulage (in Richtung der Schwerkraft oder quer dazu) einen Einfluss auf das Abschaltverhalten haben.

Beispiel einer Bauform:
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/00ab/0900766b800ab215.pdf

Siehe auch:
http://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzsicherung#Ger.C3.A4teschutzsicherungen_.28Feinsicherungen.29

[Diese Nachricht wurde von Rainer Schulze am 06. Sep. 2014 editiert.]

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folefste
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Beiträge: 2
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erstellt am: 07. Sep. 2014 14:02    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

Hallo alle,
Danke für die schnelle Antworte.
Also es handelt bei dem Problem nicht um eine Sicherung, sondern um einen elektrischen Leiter.
Ok vielleicht nicht um einen Kurzschluss, sondern um eine interne Ewärmung. Die elektrische Betrachtung wird erstmal nicht im Projekt betrachtet, sonder die thermische und mechanische.
Als Modell besteht den Leiter aus einem 10 mm dicker Zylinderstab aus Kupfer mit der Länge 500 mm und an den beiden Ende mit einer Klemme fest fixiert.
Es wird angenommen, dass die Wärmequelle im Inneren des Stabes (Schwerpunkt) stammt.
Gesucht wird:
Die Temperaturverlauf auf den gesamten Leiter
Mechanische Verhalten des Bauteil (infolge thermischen induzierten Spannungen)
Ab welchen Wert der internen Wärmeerzeugung knickt den Stab aus? (Beule Analyse beim Euler 4.Fall)

Also die ganze elektrische Betrachtungen würde ich erst mal weglassen. Die Materialeigenschaften vom Kupfer (lineares Material) sind bekannt gegeben. Das Problem wird erstmal stationär und linear betrachtet.
Was ich bis jetz gemacht habe:
Ich habe in Ansys Workbench ein Zylinderstab modelliert und im Schwerpunkt eine Kugel (Wärmequelle) angebracht.
Danach erstelle ich eine gekoppelte Simulationen (thermisch stationäre, statisch mechanisch und linearen Beule-Analyse).
Bei "thermischen stationär" erwärme ich die Kugel mit einer Temperatur T.
Da sich der Leitung in einer Umgebung mit Luft (T=22°C) befindet, bringe ich auf der Manteloberfläche des Zylinderstabes eine Konvektion ( mit der geringsten Wärmeübergangskoeffizient) und eine Strahlung (Emissionsgrad vom Kupfer 0,03) an.
Bei "stastisch mechanisch" fixiere ich die beide Enden des Stabes Links und rechts fest (fixierte Lagerung)
Dann lasse ich das ganze lösen bis der Lastmultiplikator (Knickung) den Wert 1 erreicht.
Aus der Lösung bekomme ich den Temperaturverlauf, die Verformung und die Knicklast (hier die Knicktemperatur).

Meine Frage ist:
Wie würdet ihr am besten eine interne Wärme erzeugung im Schwerpunkt des Leiters simulieren?
Würdet ihr auch genauso eine Kugel in der Mitte des Leiters erwärmen, bis es ausknickt?
Kann man die Funktion "interne Wärmeerzeugung" bei ansys so einstellen, dass diese sich im Schwerpunkt des Stabes bezieht?

Erstmal vielen dank im Voraus und schönen Sonntag
Mfg: stef

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wosch
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erstellt am: 07. Sep. 2014 18:14    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 folefste 10 Unities + Antwort hilfreich

Das ist unphysikalisch und realitätsfern:
Zitat:
Kugel in der Mitte des Leiters erwärmen

Wenn schon so, dann gleichmäßige Wärmegenerierung im Stab und Wärmeabfuhr an den Einspannstellen.

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

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Rainer Schulze
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erstellt am: 08. Sep. 2014 01:24    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 folefste 10 Unities + Antwort hilfreich

>>Das ist unphysikalisch und realitätsfern

Oder die Beschreibung ist noch immer unvollständig?
Was soll die Wärme verursachen?

------------------
Rainer Schulze

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