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Autor Thema:   Problem mit Wärmeeintrag (240 mal gelesen)
maximum7
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Einheitensystem.jpg


body_heat_flux_und_amplitude.JPG


inputdatei.txt

 
Hallo zusammen,

ich möchte in einer einfachen thermischen Simulation das Verhalten von Kunststoff auf einem beschichteten Stahlwerkzeug (Spritzguss) berechnen. Dazu wird in einem transient Step 60 Sekunden lang Leistung in Form von einem Body Heat Flux zugeführt und anschließend 60 Sekunden lang abgekühlt (keine Leistungszufuhr mehr). Dies habe ich über eine tabular amplitude eingestellt, siehe Screenshot.
Ich habe das Modell in Creo erstellt und als .stp importiert. Entsprechend habe ich alle Einheiten (siehe Bild "Einheitensystem") der Materialeigenschaften in mm, t und mJ definiert, sowie die Leistungszufuhr in mW/mm^3.

Alle Kontaktflächen zwischen den verschiedenen Materialien habe ich mit TIE constraints versehen. An den Außenwänden habe ich mittels surface film condition eine Wärmeabgabe an die Umgebung definiert.

Die zugeführte Leistung liegt bei 915W. Das Volumen des Kunststoffs beträgt ca. 12.200mm^3.
Der Body Heat Flux ist laut User's Manual in J*T^–1*L^–3 anzugeben, also hier in mW/mm^3. Das heißt, der Wert des Body Heat Flux müsste 3.660.000mW/12.200mm^3 = 75mw/mm^3 betragen.

Führe ich nun mit den gegebenen Werten die Simulation durch, kommen völlig unrealistische Werte heraus; anstatt sich in den ersten 60s zu erhitzen bzw. die Anfangstemperatur zu halten, kühlt der Kunststoff sehr schnell ab und erreicht nicht mal ansatzweise die Temperaturen, die wir während des realen Prozesses gemessen haben.
Ich habe allerdings keine Ahnung woran das liegen könnte, schließlich war ich bei der Definition der Einheiten konsistent.

Probeweise habe ich höhere Werte eingesetzt und bei einem Betrag von 15.000 mW/mm^3 komme ich auf einigermaßen sinnvolle Ergebnisse. Das ist jedoch das 200-fache von der anliegenden Leistung.

Wo kann der Fehler liegen? Die Umrechnung des Body Heat Flux müsste doch stimmen und die Definition der Amplitude doch eigentlich auch, oder?
Anbei habe ich noch die gekürzte .inp Datei hochgeladen.

Ich bin mittlerweile wirklich am verzweifeln und mein Betreuer kann mir auch nicht weiterhelfen; im Internet habe ich auch absolut gar nichts gefunden...

Ich wäre für jegliche Hilfe wirklich sehr dankbar!   

Beste Grüße

[Diese Nachricht wurde von maximum7 am 07. Jul. 2019 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von maximum7 am 07. Jul. 2019 editiert.]

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Mefh
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Eine Lösung kann ich nicht bieten, da mir kein Fehler aufgefallen ist, aber vielleicht ein paar Hinweise.

1.
Wenn die Waermeleitfaehigkeit im Stahl zu gross ist, dann ist der Waermeabfluss in den Stahlkoerper zu gross und es kommt zu keiner Erwaermung. Wir haben bei einem ähnlichem Problem experimentell deutliche Unterschiede beim Wechsel des Substratmaterials von hoch- zu unlegiertem Stahl gefunden.

2.
Der Übergang vom Kunststoff auf den Stahlkoerper könnte als Waermeleitungsbarriere dienen. Dann fliesst die Wärme nicht so schnell  aus dem Kunststoff ab.

3.
Was ich nicht verstanden habe:
Die zugeführte Leistung liegt bei 915W. Berechnet wird aber  3.660.000mW/12.200mm^3.

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maximum7
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Danke für deine Antwort!

1) An dem verwendeten Stahl kann's nicht liegen, da der Spritzgussprozess an sich gut funktioniert. Es wurde nun lediglich eine 50 Mikrometer dicke Beschichtung auf den Stahl aufgetragen, welche den Wärmefluss vom Kunststoff in den Stahl sogar noch etwas reduziert. Meine Aufgabe ist es, die thermischen Verhältnisse mit Berücksichtigung der Beschichtung zu simulieren.

2) Genau so eine Art Barriere stellt die Beschichtung dar. Zwar habe ich durch die Tie Constraints den Wärmeübergang gegenüber dem realen Prozess idealisiert dargestellt, aber so viel kann das doch nicht ausmachen  In 99% aller Tutorials werden für Wärmekonvektionssimulationen Tie Constraints benutzt und ich habe auch schon oft in Foren gelesen, in denen Leute von der Definition von Interaction Properties abraten und Tie Constraints empfehlen.

3) Oh, da habe ich mich verschrieben. Es müsste natürlich 915.000mW/12.200mm^3 = 75mW/mm^3 heißen. 

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Mefh
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erstellt am: 08. Jul. 2019 13:40    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 maximum7 10 Unities + Antwort hilfreich

Wenn die Simulation ohne Beschichtung gut läuft und mit Beschichtung daneben liegt, würde ich den Fehler in der Behandlung der Beschichtung suchen.
Da die Beschichtung als Wärmebarriere fungiert, führt ein zu hoher Wärmestrom durch die Beschichtung zu einer zu geringen Temperatur im Kunststoff.

Ich stecke in der Thematik zu wenig drin um eine Lösung parat zu haben, aber dazu folgende Ideen:

Beschichtung ist in der Realität dicker als 50 µm.

Parameter (Wärmeleitf., spez. Wärme, Dichte) für die Beschichtung sind falsch. Oft unterscheiden sich die Eigenschaften dünner Schichten vom Bulk-Material, bspw. ist aufgrund von Porosität die effektive Wärmeleitfähigkeit geringer. Oder aufgrund von Verunreinigungen in der Beschichtung bei der Herstellung.

Es kommt zu einem Temperatursprung von Kunststoff zur Beschichtung oder von Beschichtung zum Stahl aufgrund ungenügender Anbindung. Dann müsste ein Kontakt mit der Möglichkeit eines Wärmeübergangs gewählt werden.

Wenn sich einige der Ideen experimentell nicht hinterfragen lassen, dann hilft nur simulativ ausprobieren.

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maximum7
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erstellt am: 08. Jul. 2019 14:28    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

Sorry, ich habe mich etwas blöd ausgedrückt.
Ich meinte mit "da der Spritzgussprozess an sich gut funktioniert" den realen Prozess am echten Werkzeug. Mit der Simulation möchte ich den Prozess nachstellen um ggf. Möglichkeiten zur Verbesserung des Prozesses ableiten zu können.

Die Simulation an sich funktioniert auch mit Weglassen der Beschichtung nicht bzw. genauso fehlerhaft; das hatte ich schon probiert, um auszuschließen, dass der Fehler an der Beschichtung liegt. Auch die Materialkennwerte habe ich bereits 100x gecheckt und mit anderen Arbeiten verglichen, da passt auch alles.

Zwei Dinge habe ich noch ausprobiert und zumindest Veränderungen feststellen können:
1) Statt dem Body Heat Flux habe ich einen Surface Heat Flux (Leistung in mW/mm^2 und entsprechend angepasst) auf der Kunststoffoberfläche definiert und siehe da, das Ergebnis passt zwar immer noch nicht wirklich (Leistungswert entsprechend auf Flächenwärmestrom umgerechnet, ca 150mW/mm^2), allerdings bekomme ich bei dem 5-fachen Wert - also für 750mW/mm^2 - schon sinnvolle Ergebnisse. Beim Body Heat Flux musste ich den Wert ja um's 200-fache vergrößern, um sinnvolle Ergebnisse zu erzielen.
2) Ich habe die CAD-Daten mal als .igs Datei (statt .stp) importiert und die Simulation laufen lassen. Komischerweise habe ich damit bei einem Wert von 75mW/mm^3 für den Body Heat Flux viel zu hohe Temperaturen erzielt...
Ich vermute also mal, dass irgendwas an den CAD-Daten nicht stimmt.

Naja, hilft wohl nur weiterhin simulativ auszuprobieren und darauf zu hoffen, den Fehler zu finden....

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Pam Crash
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Beiträge: 405
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erstellt am: 08. Jul. 2019 20:44    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 maximum7 10 Unities + Antwort hilfreich

Deine initiale Werkzeugtemperatur liegt bei ca. 70°C und die Kunststoffschmelze hat ca. 270°C. Sobald Du losrechnest wird sich in der Grenzschicht die sog. Kontakttemperatur einstellen. Diese liegt typischerweise irgendwo bei 100°C. Möglicherweise ist dies das beobachtete Phänomen.

Eine Erklärung der Kontakttemperatur gibt es z.B. bei Wikipedia.

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Pam

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maximum7
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Beiträge: 5
Registriert: 04.07.2019

erstellt am: 10. Jul. 2019 21:59    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 habe das Problem mittlerweile gefunden. Es lag daran, dass ich das .stp Modell im imperialischen Einheitensystem (also inches etc) gespeichert hatte und nicht im metrischen System; keine Ahnung wie mir das passieren konnte. Beim Import in Abaqus hat Abaqus wohl die Maßeinheiten in der falschen Einheit übernommen und deshalb kamen komische Ergebnisse raus ...

Danke an alle für die Hilfe / Ideen! 

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