Gekoppelte thermo-mechanische Analysen

Gekoppelte thermo-mechanische FE-Analysen werden eingesetzt, um durch Temperatureinfluss verursachte, mechanische Spannungen zu berechnen. Zu diesem Zweck wird eine thermische FE-Berechnung mit einer mechanischen FE-Analyse gekoppelt.

Die Spannungen im Material werden durch inhomogene thermische Dehnungen verursacht, welche durch folgende Faktoren entstehen können:

  • Temperaturgradienten innerhalb eines Bauteils
  • Materialpaarungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten

gekoppelte thermo-mechanische Analysen - Temperaturverteilung über das Bauteil

Leistungsangebot

Wir führen mittels Finite-Elemente-Simulation folgende thermo-mechanischen Analysen durch:

  • Festigkeitsberechnung mit Kopplung von thermischer und mechanischer Berechnung
  • Statische und transiente thermo-mechanische Berechnungen

 

Sequentielle thermo-mechanische Berechnung

Bei der Anwendung der Thermomechanik im Maschinenbau reicht meist eine sequentielle thermo-mechanische Berechnung aus. Bei dieser Berechnung wird zunächst mit einem thermischen Modell die Temperaturverteilung im Bauteil berechnet. Die mechanische Berechnung erfolgt mittels der aus der thermischen Berechnung resultierenden Temperaturlasten, sowie etwaigen zusätzlichen Lasten (Kräfte, Beschleunigungen, …). Eine Rückkopplung der mechanischen Berechnung auf die thermische Berechnung erfolgt nicht. Dieses Vorgehen ist immer dann geeignet, wenn durch das mechanische Verhalten der Struktur keine wesentliche Temperaturänderung erfolgt.

 

Voll gekoppelte Thermomechanik

Falls durch das mechanische Verhalten wesentliche Temperaturänderungen erfolgen, muss eine voll gekoppelte thermomechanische Simulation erfolgen. Dies ist in folgenden Fällen der Fall:

  • Durch Reibeffekte wird im Bauteil mechanische Energie in Wärme umgewandelt
  • Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme durch elastische und plastische Dehnungen

 

Thermisches Modell

Mit dem thermischen Modell wird die Temperaturverteilung in der Konstruktion berechnet. Die Wärmeübertragung erfolgt durch folgende Mechanismen

  • Strahlung auf oder von der Bauteiloberfläche
  • Konvektion an der Oberfläche
  • Wärmeleitung im Bauteil

 

Mechanisches Modell

Die Lasten auf das mechanische Modell bestehen einerseits aus der Temperaturverteilung, die vom thermischen Modell auf das mechanische Modell übertragen wird. Zusätzlich werden die mechanischen Lasten und Randbedingungen aufgebracht. Im mechanischen Modell werden demgemäß die thermischen und mechanischen Dehnungen, Verformungen und Spannungen überlagert.

 

Berücksichtigung temperatur-abhängiger Werkstoffkennwerte

Treten im Bauteil hohe Temperaturdifferenzen auf, müssen temperaturabhängige Werkstoffkennwerte verwendet werden. Folgende Kennwerte hängen typischerweise von der Temperatur ab:

  • E-Modul des Bauteils
  • Streckgrenze
  • Bruchfestigkeit
  • Spezifische Wärmeleitfähigkeit
  • Thermischer Ausdehnungkoeffizient

 

Statische thermische Simulation

Eine statische thermische Simulation erfolgt bei stationären Vorgängen, bei denen sich die Temperaturverteilung über die Zeit nicht (stationär) oder nur sehr langsam (quasistationär) ändert.

 

Transiente thermische Simulation

Die transiente thermische Simulation wird verwendet, wenn sich die Temperaturverteilung im Betrieb stark ändert. Dies ist typischerweise bei An- und Abfahrvorgängen der Fall. Um diese dynamischen Temperaturänderungen zu berücksichtigen, wird die Temperaturverteilung in Abhängigkeit der Zeit berechnet. Die mechanische Simulation wird in diesem Fall ebenfalls für mehrere Zeitpunkte durchgeführt.