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Hallo,

ich fange gerade mit meiner Diplomarbeit an und muss unter anderem eine FEM gestützte Analyse des Temperaturverlaufs beim Laserstrahlsintern von Kunststoffen machen. Das klappt noch nicht so gut, da ich vorher noch nie mit ABAQUS gearbeitet habe.

Tutoriums-Beispiele(Getting Started) helfen mir nicht wirklich, weil dort Spannungs-Probleme untersucht werden. Ich brauche aber ein Modell, mit welchem man Wärmeverlauf berechnen und anschauen kann. Mich interessieren nur Wärmeverläufe. Spannungen und Verformungen sind für meine Arbeit irrelevant.

Grundsätzlich stehe ich vor zwei Problemen:
-Wie muss ich ein Modell definieren, damit man z.B. einem Körper Wärme von einer Seite zuführen kann und Wärmeverlauf/Wärmeverteilung anschauen kann?
-Wenn ich es schaffen sollte, so einen Körper zu definieren, wie kann ich dann mehrere Körper in einem Modell als Ganzes berechnen lassen? Wie genau muss die Verbindung im Interaction-Modul definiert sein?

Bis jetzt hab ich nur rumprobiert und gehofft, dass ich das richtige mache. Zuerst habe ich versucht einfach einem Würfel von einer Seite Wärme zuzuführen.
-Als Materialeigenschaften habe ich unter Property Dichte(density), Wärmeleitfähigkeit(Conductivity) und Spezifische Wärmekapazität(Specific Heat) angegeben.
-Step definiert, “Heat Transfer”
-Field Output und History Output nicht verändert
-Unter Load-->Create “Thermal“ und “Surface Heat Flux” genommen
-Unter Mesh-->Controls “Structured” ausgewählt
-Mesh-->Element Type “Standard” und “Quadratic” angewählt. Als Family “Heat Transfer”
-Job-->Submit läuft einwandfrei
-Visualization Animate-->Scale Faktor-->Contours sieht seltsam aus. So als ob nur die erste Elementenschicht durch die Wärme beeinflusst wird. Alle Elemente danach haben die gleiche Farbe, nur die oberste Schicht(Dort wo Wärme unter Load zugeführt wird) wird wärmer.
-Visualization Animate-->Scale Faktor-->Symbols sieht schon ein wenig besser aus. Zumindest erkennt man, dass die Wärme durch den ganzen Körper durchgeht. Dabei ist mir aber auch was seltsames aufgefallen. Die kleinen roten “Wärmepfeile” gehen nicht von oben nach unten durch(Wärme wird von oben zugeführt), sondern es sieht so aus, als ob die Grenzflächen zwischen Elementen die Wärme erzeugen. Kann es sein, dass ABAQUS die Wärme nur an den Grenzen zwischen Elementen berechnet und dazwischen alles interpoliert, oder hab ich da beim modellieren was falsch gemacht?

Ich hoffe jemand kann mir bei meinem Problem helfen. Ich brauche eine Step-by-Step - Anleitung oder evtl. ein Link zu einer Seite, wo Heat-Transfer-Probleme einfach erläutert werden. Ich wäre schon zufrieden, wenn ich ganz einfache Modelle erstellen und analysieren(lassen) könnte. Dann könnte ich mit meiner Arbeit beginnen.

Mit freundlichen Grüßen Andreas

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Zitat:

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Original erstellt von AndreasBLZ:
Hallo,

ich fange gerade mit meiner Diplomarbeit an und muss unter anderem eine FEM gestützte Analyse des Temperaturverlaufs beim Laserstrahlsintern von Kunststoffen machen. Das klappt noch nicht so gut, da ich vorher noch nie mit ABAQUS gearbeitet habe.

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Na dann mal viel Spaß! *g*
  

Zitat:

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Tutoriums-Beispiele(Getting Started) helfen mir nicht wirklich, weil dort Spannungs-Probleme untersucht werden. Ich brauche aber ein Modell, mit welchem man Wärmeverlauf berechnen und anschauen kann. Mich interessieren nur Wärmeverläufe. Spannungen und Verformungen sind für meine Arbeit irrelevant.

Grundsätzlich stehe ich vor zwei Problemen:
-Wie muss ich ein Modell definieren, damit man z.B. einem Körper Wärme von einer Seite zuführen kann und Wärmeverlauf/Wärmeverteilung anschauen kann?

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Wärmeeinträge definiert man:
1. über vorgegebene Wandtemperaturen (Fläche, Knoten)
2. über vorgegebene Umgebungstemperaturen + Wärmeübergangskoeffizient Alpha (Konvektion)
3. über Strahlung (braucht man eher seltener)

 

Zitat:

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-Wenn ich es schaffen sollte, so einen Körper zu definieren, wie kann ich dann mehrere Körper in einem Modell als Ganzes berechnen lassen? Wie genau muss die Verbindung im Interaction-Modul definiert sein?

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In ABAQUS muss jede Verbindung als Tied Contact definiert sein.
 

Zitat:

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Bis jetzt hab ich nur rumprobiert und gehofft, dass ich das richtige mache. Zuerst habe ich versucht einfach einem Würfel von einer Seite Wärme zuzuführen.
-Als Materialeigenschaften habe ich unter Property Dichte(density), Wärmeleitfähigkeit(Conductivity) und Spezifische Wärmekapazität(Specific Heat) angegeben.
-Step definiert, “Heat Transfer”
-Field Output und History Output nicht verändert
-Unter Load-->Create “Thermal“ und “Surface Heat Flux” genommen
-Unter Mesh-->Controls “Structured” ausgewählt
-Mesh-->Element Type “Standard” und “Quadratic” angewählt. Als Family “Heat Transfer”
-Job-->Submit läuft einwandfrei
-Visualization Animate-->Scale Faktor-->Contours sieht seltsam aus. So als ob nur die erste Elementenschicht durch die Wärme beeinflusst wird. Alle Elemente danach haben die gleiche Farbe, nur die oberste Schicht(Dort wo Wärme unter Load zugeführt wird) wird wärmer.
-Visualization Animate-->Scale Faktor-->Symbols sieht schon ein wenig besser aus. Zumindest erkennt man, dass die Wärme durch den ganzen Körper durchgeht. Dabei ist mir aber auch was seltsames aufgefallen. Die kleinen roten “Wärmepfeile” gehen nicht von oben nach unten durch(Wärme wird von oben zugeführt), sondern es sieht so aus, als ob die Grenzflächen zwischen Elementen die Wärme erzeugen. Kann es sein, dass ABAQUS die Wärme nur an den Grenzen zwischen Elementen berechnet und dazwischen alles interpoliert, oder hab ich da beim modellieren was falsch gemacht?

Ich hoffe jemand kann mir bei meinem Problem helfen. Ich brauche eine Step-by-Step - Anleitung oder evtl. ein Link zu einer Seite, wo Heat-Transfer-Probleme einfach erläutert werden. Ich wäre schon zufrieden, wenn ich ganz einfache Modelle erstellen und analysieren(lassen) könnte. Dann könnte ich mit meiner Arbeit beginnen.

Mit freundlichen Grüßen Andreas

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Du solltest schon noch irgendwo Wärmeabfuhr definieren: z.B. alle restlichen Flächen mit einer Umgebungstemperatur von 20°C und einem Alpha von 5 W/(m²*K). Andernfalls kann sich ja keine schöne "bunte" Wärmeverteilung einstellen....

Was willst Du denn rechnen? Stationär oder transient?
Musst Du Strahlung berücksichtigen? Wenn nicht, dann ist es übrigens sehr ratsam das Ganze nicht in ABAQUS sondern in Pro/MECHANICA zu machen. Dort fallen nämlich schon mal all die Interaction-Definitionen weg......

[Diese Nachricht wurde von Maccias am 13. Dez. 2006 editiert.]

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Vielen Dank für die schnelle Antwort.
zu deinen Fragen:

-Was willst Du denn rechnen? Stationär oder transient?
->Transient, weil die Wärmeenrgie von aussen (unter anderem auch als Laserstrahlung) zugeführt wird. Stationär heisst doch, dass Energieinhalt des Systems konstant bleibt, oder ist das bei ABAQUS anders?

-Musst Du Strahlung berücksichtigen?
->Ja, das Modell soll später sehr genau werden. Am Anfang versuche ich das Ganze aber sehr einfach und ohne Strahlung zu definieren. Mir gehts in erster Linie darum mit ABAQUS umgehen zu können.

-Du solltest schon noch irgendwo Wärmeabfuhr definieren: z.B. alle restlichen Flächen mit einer Umgebungstemperatur von 20°C und einem Alpha von 5 W/(m²*K). Andernfalls kann sich ja keine schöne "bunte" Wärmeverteilung einstellen....
->Das könnte die Ursache dafür sein, warum mein Modell sich auf 42000° aufheizt, wenn ich Stepdauer erhöhe. Wobei mir noch nicht klar ist, wie ich die Wärmeabfuhr möglichst realitätsnah definieren soll.

Ich bin inzwischen ein gutes Stück weitergekommen und stehe gerade vor einem neuen Problem.

Ich wollte erstes grobes Modell erstellen, welches zumindest ansatzweise meiner Aufgabenstellung entspricht. Bei den Steps habe ich mich diesmal für "Coupled-temp-displacement (Transient)" entschieden. Nach dem Initialstep kommt ein "Static,General - Step", damit ich mein Modell an einer Ecke "festmachen" kann. Danach folgen mehrere "Coupled-temp-displacement-Steps", die meine Simulationsgrundlage bilden sollen.

Im Interaction-Modul hab ich jeder Kontaktfläche ein "Surface" zugewiesen und mit Hilfe dieser dann meine einzelnen Parts miteinander verbunden. Verbindungsart ist überall gleich:
Tangential Behavior --> Rough
Normal Behavior --> Hard Contact ("Allow separation after contact" hab ich deaktiviert)
Thermal Conductance --> Bei Conductivity = 1E+009 Clearance = 0. Bei Conductivity = 0  Clearance = 1E+009. Ich habe also versucht ne möglichsst hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen den einzelnen Parts zu definieren.

Alle Parts bestehen aus dem gleichen Material (Kunststoffpulver) und unterscheiden sich nur durch Temperatur. Energie wird mit Hilfe von Heizelementen und Laserstrahlung hinzugeführt. Am Anfang habe ich einfach versucht Wärme im Load-Modul mit Hilfe von "Body Heat Flux" zuzuführen. Also in jedem Step nen Anderen Bereich erwärmen. Die Berechnung wird zwar durchgeführt (viele Warnungen aber keine Fehler), Aber Ergebnisse stimmen nicht. Unter anderem stellte ich fest, dass ich nicht in der Lage bin einem Part in einem Step eine bestimmte Temperatur (zb Anfangstemperatur) zuzuweisen. Wenn ich zb. mit Body heat Flux Wärme zuführe und bei Magnitude 633 eingebe, dann hängt die Endtemperatur davon ab, wie lange jeweiliger Step dauert(also von der Zeit) ab. Kann es sein dass unter Magnitude bei Body Heat Flux nicht die Temperatur, sondern Energie (oder Wärmemenge o.ä.) gemeint ist?

Mein Modell funktioniert zwar, und Wärmeverläufe sehen realistisch aus, aber ich schaffe es nicht die Anfangstemperatur, Heizung und Laserstrahlung genau zu definieren. Irgendwie ist "Body Heat Flux" schwer unter Kontrolle zu bekommen. Ich bräuchte eine Art Regelung.

Anscheinend sind die Felder (im Load-Modul  Field-->Create) besser dafür geeignet, eine Anfangstemperatur zu definieren. Mein Problem ist aber, dass sobald ich ein "Field" erstelle, wird die Berechung immer aufgrund von Fehlern abgebrochen. Vertragen sich Coupled-temp-displacement-Steps" und "Fields" nicht, oder wo liegt mein Fehler?

Die Fragen zusammengefasst:
-Was muss man bei Interaction beachten? Kann ich die ganzen Interactionen vermeiden, indem ich nur 1 Part erstelle, partioniere, und dann meine Loads/BC`s/Fields den einzelnen Partionen zuweise? (Das ganze Modell besteht aus einem Material)

-Welche Steps sind besonders für rein thermische Probleme geeignet?

-Was ist unter Magnitude bei "Body Heat Flux" gemeint: Temperatur oder Energie? Wo kann man sowas nachschauen? (ähnliche Probleme werden bestimmt noch oft auftauchen)

-Wie kann man einem Modell/Bereich eine Anfagstemperatur zuweisen? Welche Temperatur hat ein Bereich am Anfang, wenn man nichts zuweist?

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Uups, sind das viele Fragen! Ich versuche mal einige Fragen zu beantworten:
- Warum definierst Du einen Coupled Temp Displacement Step? Interessierst Du Dich für Spannungen/Verschiebungen? Wenn nicht, dann genügt auch Heat Transfer.
- Interactions benötigst Du zwischen 2 Parts. Wenn Du keine Reibung berücksichtigen möchtest am besten als Tied Contacts. Hast Du nur ein Part, dann sind in der Regel auch keine Interactions erforderlich.
- Versuche doch zunächst erst einmal stationär zu rechnen, das bedeutet der Zustand Deines Systems ist eingeschwungen (nach sehr langer Zeit eben). Dann fällt auch schon mal das Problem mit den Anfangsbedingungen weg. Warum die Rechnung mit dem Temperaturfeld als Anfangsbedingung abgebrochen wird, ist mir auch nicht klar. Die Definition der Anfangsbedingung an sich ist so schon in Ordnung.
- Body Heat Flux ist der Wärmefluss, eine Leistung, die Du auf Flächen definieren kannst. Wo Du das nachschauen kannst? Keine Ahnung, google einfach mal nach Wärmefluss, im Zweifelsfall bei Wikipedia.....
- Wenn Du keine Anfangstemperatur zuweist, beträgt diese im Zweifelsfalls 0 (die Frage ist nur, ob Grad Celsius oder Kelvin).
- Welche Temperaturen ergeben sich denn an den beteiligten Systemen? Strahlung ist nämlich zum einen nur für sehr hohe Temperaturen interessant und zum anderen nicht wirklich gut in CAE zu definieren (hängt aber auch wieder von der Aufgabenstellung ab).
- Wärmeabfuhr realitätsnah zu erzeugen? Hm, das ist schwierig. In der Regel macht man das über freie Konvektion, also mit einer Umgebungstemperatur und einem Wärmeübergangskoeffizienten Alpha. Und bei dem Alpha treten dann auch die Probleme auf. Mit 5 W/(m²*K) für stehende Luft liegst Du nicht ganz falsch, aber es können sich eben auch (v.a. lokal) andere Werte einstellen, die von allen möglichen Dingen abhängen....

Was hab ich jetzt alles vergessen?

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Bei der Berechnung der Alpha Werte könnte dir der VDI Wärmeatlas weiter helfen. Dort gibt es Formeln für ebene und vertikale Wände. Siehe dort im Abschnitt "F" nach
Gruß
oliver

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Hi,

Zitat:

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Wenn ich zb. mit Body heat Flux Wärme zuführe und bei Magnitude 633 eingebe, dann hängt die Endtemperatur davon ab, wie lange jeweiliger Step dauert(also von der Zeit) ab. Kann es sein dass unter Magnitude bei Body Heat Flux nicht die Temperatur, sondern Energie (oder Wärmemenge o.ä.) gemeint ist?

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Jupp, bei Surface Heat Flux handelt es sich um Energiedichte (Joule/m^2), also wird es wohl hier auch aehnlich sein. Wobei ich auch Flaechen mit Lasern bestrahle und dabei Surface Heat Flux hernehme..

Zitat:

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Wobei mir noch nicht klar ist, wie ich die Wärmeabfuhr möglichst realitätsnah definieren soll.

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Gleiches Problem hier. Temperaturfeld mit 293K definiert und Interaction: Surface Radiation to Ambient gewaehlt. Emissivity ist mir allerdings ein Raetsel, ist das Emissionsgrad \epsilon? Als nicht-Physiker hab ich da so meine Probleme grad..

Gruss
Paul

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Jo, es ist der Emissionsgrad.
Vorsicht! Wärmeabfuhr nur als Radiation zu definieren ist meistens falsch, weil das nur für extrem hohe Temperaturen gelten kann. In der Regel macht man das über freie Konvektion zur Umgebung.....
Sicher, dass Heat Flux nicht in der Einheit Watt angegeben werden muss??

[Diese Nachricht wurde von Maccias am 17. Jan. 2007 editiert.]

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Zitat:

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Sicher, dass Heat Flux nicht in der Einheit Watt angegeben werden muss??

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Hast Recht, sorry 

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