A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

1

Analiza TERMICĂ

În acest laborator sunt atinse următoarele aspecte:

✓ introducere în studiul termic; ✓ solicitări termice; ✓ grupurile condițiilor de contact; ✓ analiza termică stabilă; ✓ analiza termică tranzitorie ✓ obținerea & interpretarea rezultatelor.

⚫ Introducere în studiul termic

Analiza termică este o metodă de a verifica distribuția temperaturii într-un corp prin

aplicarea unor solicitări termice. Trebuie reținut faptul că energia termică, prin natura

sa, este dinamică și circulă mereu prin diferite medii. Astfel, există trei mecanisme prin

care circulă energia termică:

- Conducție;

- Convecție;

- Radiație.

În toate cele trei mecanisme, energia termică circulă din mediile cu temperaturi mai

ridicate în mediile cu temperaturi mai joase. Transferul termic prin conducție și

convecție necesită prezența unui mediu intermediar spre deosebire de transferul

termic prin radiație.

Rezultatele obținute în urma unei analize termice sunt :

- Distribuția temperaturii;

- Cantitatea de căldură câștigată sau pierdută;

- Gradientul termic;

- Fluxurile termice.

Acest tip de analiză este utilizat în multe domenii inginerești, cum ar fi: industria auto,

conducte, electronică, generatoare de energie electrice, etc.

⚫ Termeni importanți corelați de analiza termică

Înainte de efectuarea unei analize termice, ar trebui să existe o familiarizare cu

termenii și conceptele de bază. Astfel, în continuare sunt prezentați termenii cei mai

importanți utilizați în cazul analizelor termice:

• Modurile de transfer ale căldurii – oricând există o diferență de temperatură

între două corpuri, căldura este transferată de la un corpul mai cald către cel

mai rece prin:

o Conducție: căldura este transferată prin interacțiunea atomilor sau

moleculelor respectivului material. De exemplu: dacă se încălzește o

bară metalică la un capăt al acesteia, căldura va fi transferată până la

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

2

celălalt capăt prin intermediul atomilor sau moleculelor din materialul din

care este confecționată bara;

o Convecția: căldura este transferată prin intermediul unui fluid în stare

lichidă sau gazoasă. De exemplu: încălzirea apei prin intermediul unui

„fierbător”. În acest caz, apa preia căldură de la materialul care se

încălzește.

o Radiația: căldura este transferată în spațiu într-o modalitate liberă.

Radiația este singura modalitate de transfer a căldurii care are loc în

spațiu. De exemplu: căldura emisă de Soare, este transferată pe Pământ

prin intermediul radiației.

• Gradientul termic – este rata de creștere a temperaturii pe unitatea de

adâncime într-un material;

• Fluxul termic – este definit ca fiind rata de transfer termic pe unitatea de arie

a secțiunii. De obicei este notat cu 𝒒;

• Temperatura în volum – este temperatura unui fluid care curge în exteriorul

materialului de reținere. De obicei este notată cu 𝑻𝒃;

• Coeficientul de membrană – este valoarea măsurată a transferului termic

printr-o membrană de aer;

• Emisivitatea – este indicele obținut prin raportul dintre energia radiată a unui

material și energia radiată de un corp negru la aceeași temperatură.

Emisivitatea este valoarea măsurată a capacității unui material de a absorbi și

radia căldură. De obicei este notată cu 𝒆. Pentru un corp perfect negru, 𝒆 = 𝟏.

Pentru orice alt material, 𝒆 < 𝟏;

• Constanta Stefan-Boltzmann – este valoarea obținută din energia radiată a

unui corp negru pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp în raport cu

temperatura corpului ridicată la puterea a patra. De obicei este notată cu 𝒔;

• Conductivitatea termică – este proprietatea unui material de a conduce

căldura. De obicei este notată cu 𝑲;

• Căldura specifică – este cantitatea de căldură pe unitate de masă necesară

pentru a crește temperatura corpului cu 𝟏℃. De obicei este notată cu 𝒄.

⚫ Solicitări termice

• Temperatură

Instrumentul Temperature este utilizat pentru a specifica temperatura unei/unor

suprafețe ale reperului analizat (fig.12.1). Pentru a aplica o astfel de solicitare se

urmează pașii:

- Click pe butonul Temperature din lista de instrumente afișată la apăsarea

pe săgeata de sub butonul Thermal Loads aflat în bara de comenzi;

- Se selectează suprafața pe care se aplică solicitarea termică;

- Click pe căsuța editabilă Temperature și se specifică valoarea

corespunzătoare;

- Pentru aplicarea parametrilor corespunzători, click pe butonul OK .

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

3

Fig.12.1 Definirea temperaturii aplicate pe reperul analizat

• Convecție

Convecția este fenomenul prin care căldura este transferată printr-un mediu cu diferite

stări de agregare: gaz, lichid sau solid. Fiecare mediu în parte are limitările sale în

ceea ce privește transferul de energie termică. Aceste limitări sunt exprimate

matematic prin coeficientul de convecție 𝑸𝒄:

𝑄𝑐 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇𝑓)

unde: 𝒉 este coeficientul de transfer termic, care se măsoară în [W/m2.K], 𝑻𝒔 este

temperatura de la suprafață, 𝑻𝒇 este temperatura mediului înconjurător, 𝑨 este aria

suprafeței.

Fig.12.2 Definirea parametrilor specifici definii procesului de convecție

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

4

În SW Simulation trebuie specificat acest coeficient ca o caracteristică a fenomenului

de convecție (fig.12.2). Pentru a aplica o astfel de solicitare se urmează pașii:

- Click pe butonul Convection din lista de instrumente afișată la apăsarea pe

săgeata de sub butonul Thermal Loads aflat în bara de comenzi;

- Se selectează suprafața de la care apare fenomenul de convecție;

- Click pe căsuța editabilă Convection Coefficient și se specifică valoarea

corespunzătoare;

- Click pe căsuța editabilă Bulk Ambient Temparature și se specifică

temperatura mediului înconjurător;

- Pentru aplicarea parametrilor corespunzători, click pe butonul OK .

• Putere termică

Aceasta este energia termică aplicată pe o suprafață, sub formă de căldură (fig.12.3).

Puterea termică se poate specifica într-o analiză prin utilizarea butonului Heat Power.

Pentru a aplica o astfel de solicitare se urmează pașii:

- Click pe butonul Heat Power din lista de instrumente afișată la apăsarea pe

săgeata de sub butonul Thermal Loads aflat în bara de comenzi;

- Se selectează suprafața sau suprafețele pe care se aplică puterea termică;

- Click pe căsuța editabilă Heat Power și se specifică valoarea corespunzătoare;

- Dacă este cazul de solicitare neliniară (temperatura nu crește pe o singură

pantă), click pe butonul Use Temperature curve , apoi click pe butonul Edit.

- Se introduc datele conform secvenței de creștere a temperaturii pentru a

genera graficul corespunzător (fig.12.4.), după care click pe butonul OK.

- Pentru aplicarea parametrilor stabiliți mai sus, click pe butonul OK .

Fig.12.3 Definirea puterii termice pentru suprafețele vizate

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

5

Fig.12.4 Exemplu de diagramă caracteristică secvenței de creștere a temperaturii

• Flux termic

Această solicitare reprezintă energia termică aplicată pe unitate de suprafață asupra

elementului de suprafață selectat. Pentru a aplica o astfel de solicitare se urmează

pașii:

- Click pe butonul Heat Flux din lista de instrumente afișată la apăsarea pe

săgeata de sub butonul Thermal Loads aflat în bara de comenzi;

- Se selectează suprafața sau suprafețele pe care se aplică puterea termică;

- Opțiunile din pagina Property Manager sunt similare instrumentului precedent

și pot fi utilizate în același mod;

• Radiație

Radiația termică este reprezentată de energia termică emisă de corpuri sub formă de

unde electromagnetice din cauza temperaturi acestora. Toate corpurile care au

temperatura > |𝟎| emit energie termică.

Deoarece undele electromagnetice se deplasează în vid, nu este necesară existența

unui mediu de transfer. Radiația termică poate apărea între:

- temperatura ambientală și suprafețele unui corp;

- suprafața unui corp și suprafața altui corp.

Pentru a aplica o astfel de solicitare (fig.12.5) se urmează pașii:

- Click pe butonul Radiation din lista de instrumente afișată la apăsarea pe

săgeata de sub butonul Thermal Loads aflat în bara de comenzi;

- Se selectează suprafața / suprafețele care radiază;

- Indiferent de opțiunea marcată din zona Type, click în prima căsuță editabilă

din zona Radiation Parameters, după care specifică temperatura ambientală;

- Click pe căsuța editabilă Emisivity, după care se specifică un coeficient de

emisivitate a radiațiilor;

- După specificarea parametrilor necesari, click pe butonul OK .

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

6

Fig.12.5 Definirea radiației termice pentru corpul analizat

⚫ Condiții de contact în analiza termică

În cazul ansamblurilor analizate structural, se utilizează diverse condiții de contact

între diferite componente. În mod similar și în cazul analizelor termice se cere același

lucru. Pentru astfel de analize, se pot specifica următoarele tipuri de conexiuni:

- Rezistența termică;

- Lipirea (aderarea);

- Izolarea.

Instrumentele necesare specificării acestor condiții de contact sunt disponibile în

meniul desfășurabil Connections Advisor , aflat în bara de comenzi sau click

dreapta pe eticheta Connections din pagina Analysis Properties. Click pe

opțiunea Contact Set .

Din lista desfășurabilă Type, se selectează tipul de contact potrivit analizei în

desfășurare, după care se selectează suprafețele necesare pentru aplicarea

contactului termic impus. În aceeași manieră se poate utiliza butonul Component

Contact , pentru a realiza condițiile de contact între două componente.

Cele trei condiții de contact disponibile pentru analiza termică sunt:

- Thermal Resistance Contact – este utilizată pentru a specifica rezistența

termică existentă între două componente ale unui ansamblu. Este necesară

selectarea celor două suprafețe aflate în contact, după care se specifică

valoarea rezistenței termice. Unitatea de măsură a rezistenței termice este K/W;

- Bonded Contact – este utilizată doar când există conducție perfectă între două

componente aflate în contact. Se reține faptul că transferul termic între

componente va depinde într-o foarte mare măsură de conductivitatea termică

specifică fiecărei componente în parte;

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

7

- Insulated Contact – este similară condiției „no penetration” din cazul analizelor

structurale. Această condiție este utilizată în cazul când nu există conductivitate

termică între cele două componente aflate în contact.

⚫ Analiza termică în stare de echilibru

1) Începerea analizei

În continuare, se va realiza o analiză termică, în două faze, asupra unui reper industrial

pentru a se verifica distribuția temperaturilor sau a căldurii pe suprafața de interes a

modelului.

Se deschide sau se modelează componenta asupra căreia este necesară analiza

termică, după care:

• Click pe butonul SW Simulation din pagina Solidworks Add-Ins, care se află

în banda de comenzi;

• Click pe săgeata de sub butonul Study Advisor pentru a selecta opțiunea

New Study, după care sistemul va afișa lista cu toate tipurile de analiză care

se pot realiza pe acest reper;

• Click pe butonul Thermal , apoi click pe caseta editabilă pentru a înscrie o

denumire sugestivă analizei;

• Pentru acceptare, click pe butonul OK .

2) Aplicarea materialului

• Click dreapta pe denumirea modelului din pagina Analysis Manager, pentru

a selecta din meniul contextual, opțiunea Apply/Edit Material ;

• Din lista de materiale, secțiunea Aluminium Alloys (fig.12.6), se selectează

materialul C355.0-T61 Permanent Mold cast (SS), după care click pe butonul

Apply, apoi click pe butonul Close;

Fig.12.6 Caseta de dialog Material

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

8

În cazul în care se lucrează pe un ansamblu, atunci se pot aplica condițiile de contact

similar celor prezentate în laboratoarele anterioare.

3) Aplicarea solicitărilor termice

o Aplicarea convecției

• Click dreapta pe eticheta Thermal Loads , pentru a se selecta din lista

afișată, opțiunea Convection , după care sistemul va afișa pagina

Temperature Property Manager;

• Se selectează toate suprafețele din interiorul modelului (fig.12.7);

• Se specifică coeficientul de convecție de 10000 în caseta editabilă Convection

Coefficient. Această valoare corespunde uleiului de motor;

• Click pe caseta editabilă Bulk Ambient Temperature din pagina Property

Manager și se specifică valoare 400. Această valoare este exprimată în grade

𝑲, adică ≈ 127℃;

• Pentru acceptare, click pe butonul OK .

Fig.12.7 Configurarea solicitării termice prin convecție

o Aplicarea căldurii generate de combustie

• Click pe butonul Heat Power din lista de instrumente afișată la apăsarea pe

săgeata de sub butonul Thermal Loads aflat în bara de comenzi;

• Se marchează opțiunea Total din zona Sellected Entities, după care se

selectează fața superioară a pistonului (fig.12.8);

• Click pe căsuța editabilă Heat Power și se specifică valoarea puterii calorice

de 20000 [W];

• Pentru aplicarea parametrilor stabiliți mai sus, click pe butonul OK .

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

9

Fig.12.8 Aplicarea căldurii generate de combustie pe parte superioară a pistonului

4) Realizarea discretizării

• Click dreapta pe elementul Mesh din pagina Analysis Properties, pentru a

se selecta opțiunea Create Mesh din meniul contextual;

• În pagina Mesh, se marchează opțiunea Mesh Parameters, după care se

selectează opțiunea Curvature-based mesh;

• Se deplasează cursorul din zona Mesh Density către dreapta, spre zona

Fine, până când dimensiunea maximă a elementelor tetraedrale este în jurul

valorii de 2.5 mm;

• Click pe butonul OK din pagina Mesh, pentru aplicarea discretizării.

5) Rularea analizei termice în starea de echilibru

Click pe butonul Run This Study aflat în bara de comenzi. Sistemul va începe

soluționarea problemei. Odată cu finalizarea soluționării problemei, sistemul poate

afișa rezultatul în zona grafică conform figurii 12.9.

Fig.12.9 Variația temperaturii în reperul analizat

Se pot afișa grafic și alte componente ale analizei termice, printr-un click dreapta pe

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

10

Temperature scale, din partea dreaptă a modelului (fig.12.10), după care se poate selecta una dintre opțiunile disponibile în meniul contextual afișat de sistem.

Fig.12.10 Diverse componente ale rezultatelor obținute în urma analizei termice

⚫ Analiza termică în stare tranzitorie

6) Începerea analizei

În prima fază s-a realizat o analiză termică în starea de echilibru, însă rezultatele nu

sunt complete pentru o interpretare corectă a comportamentului modelului analizat.

Astfel, se vor utiliza aceste date pentru a obține rezultate și într-o stare tranzitorie.

Fig.12.11 Copierea studiului

anterior pentru utilizarea

datelor existente

Fig.12.12 caracterizarea noului

studiu termic

Fig.12.13 Schimbarea proprietăților

generale de realizare a analizei termice

Pentru a putea utiliza datele din prima analiză:

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

11

• Click dreapta pe denumirea analizei din partea de jos a zonei grafice, pentru a

selecta opțiunea Copy Study (fig.12.11);

• Se introduce o denumire relevantă și sugestivă pentru noul studiu, după care

click pe butonul OK (fig.12.12);

• Click dreapta pe denumirea noului studiu, aflată în pagina Analysis Manager,

pentru a selecta opțiunea Properties;

• Se marchează opțiunea Transient, după care se configurează caseta de dialog

Thermal conform figurii 12.13.

7) Aplicarea unor noi solicitărilor termice

o Aplicarea unei temperaturi inițiale

• Click dreapta pe eticheta Thermal Loads , pentru a se selecta din lista

afișată, opțiunea Temperature , după care sistemul va afișa pagina

Temperature Property Manager;

• Se marchează opțiunea Initial temperature din zona Type, după care se

selectează toate suprafețele modelului analizat utilizând comanda Select all

exposed faces;

• Se specifică valoarea de 𝟐𝟐℃ în caseta editabilă Temperature (fig.12.14).

Această valoare corespunde temperaturii ambientale de la care începe

acționarea celorlalte solicitări termice;

• Pentru acceptare, click pe butonul OK .

Fig.12.14 Aplicarea temperaturii inițiale

8) Rularea analizei termice în stare tranzitorie

Click pe butonul Run This Study aflat în bara de comenzi. Sistemul va începe

soluționarea problemei. După realizarea analizei, se compară gama de temperaturi

(fig.12.15) – care se schimbă în cazul celei de-a doua analize – și modelul afișează

zone cu temperaturi mult mai mici. Acest lucru se întâmplă deoarece s-a permis

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

12

răcirea modelului în timpul analizei, dar și pentru că s-a specificat o temperatură

inițială.

Fig.12.15 Variația temperaturii în reperul analizat

Fig.12.16 Diverse componente ale rezultatelor obținute în urma analizei termice

Se poate observa (pe animația generată de sistem), că temperatura este transferată

de pe partea superioară a modelului, pe pereții acestuia, odată cu trecerea timpului.

După rularea analizei, click dreapta pe eticheta Thermal1, aflată sub elementul

Results din pagina Analysis Manager, pentru a selecta opțiunea Probe . Click într-o zonă de interes de pe model. Temperatura dar și alți parametri vor fi afișați într-o căsuță aflată în zona Results (fig.12.16).

A.E.F. (SW) - suport laborator nr.12 – sem.II

13

BIBLIOGRAFIE

o V.ZICHIL, V.A. CIUBOTARIU, Rezolvarea de probleme utilizând metoda

elementelor finite cu Siemens NX Nastran – note de curs & suport de laborator,

Ed. Alma Mater, Bacău, RO, ISBN 978-606-527-620-8, 2018

o Dassault Systemes SolidWorks Corporation, SolidWorks Simulation Technical

Support Manual, DSSC Publication, USA, PMT1640-ENG, 2018

o M.WEBER, G.VERMA, SolidWorks Simulation Black Book, Ed.

CADCAMCAEWORKS, USA, ISBN 978-1-523-39374-9, 2016

o SolidWorks Online Help - Simulation