PropertyManager „Komponenteninteraktion“

Mit dem PropertyManager Komponenteninteraktion können Sie die Interaktionsbedingungen festlegen, die das Verhalten der ausgewählten Komponenten während der Simulationen steuern.

Interaktionen auf Komponentenebene überschreiben Interaktionen auf globaler Ebene, und lokale Interaktionen überschreiben Interaktionen auf Komponentenebene. Zum Ändern oder Hinzufügen einer Interaktionseinstellung muss das Modell neu vernetzt werden.

Bevor Sie die Analyse ausführen, können Sie im PropertyManager „Interaktions-Viewer“ die Interaktionsbereiche (z. B. Verbunden, Kontakt und Frei) überprüfen, die durch die Einstellungen für globale und lokale Interaktionen definiert sind.

Interaktionstyp

Die verfügbaren Optionen richten sich nach dem Studientyp:

Verbunden Ausgewählte Komponenten verhalten sich während der Simulation so, als wären sie geschweißt.
Kontakte Ausgewählte Komponenten interferieren während der Simulation nicht, unabhängig von ihrer anfänglichen Kontaktbedingung. Körper schneiden sich standardmäßig nicht selbst, wenn die Verformung während der Simulation dazu führt, dass sie sich selbst schneiden. Die Kontaktformulierung Oberfläche zu Oberfläche wird angewendet.
Die Option Kontaktinteraktion für Komponenten ist für nichtlineare Studien nicht verfügbar. Mit dem PropertyManager Lokale Interaktionen können Sie lokale Kontaktsätze zwischen geometrischen Elementen ausgewählter Komponenten anwenden.
Frei Ausgewählte Komponenten können sich während der Simulation gegenseitig schneiden. Verwenden Sie diese Option nicht, wenn Sie nicht genau wissen, ob die Lasten Interferenzen der Komponenten verursachen. Bei diesem Interaktionstyp werden vorhandene Interaktionen auf Komponentenebene überschrieben.
Isoliert Verhindert den Wärmefluss aufgrund von Wärmeleitung zwischen den ausgewählten Komponenten.

Komponenten

  Globale Interaktion Wählt die übergeordnete Baugruppe aus, um eine globale Interaktionsbedingung anzuwenden. Der ausgewählte Interaktionstyp gilt für alle Komponenten der Baugruppe.
Komponenten für die Interaktion Wählen Sie die Komponenten aus, um ihre Interaktionsbedingungen festzulegen. Sie können die notwendigen Komponenten im aufschwingenden FeatureManager oder im Grafikbereich mit dem Werkzeug Filter Volumenkörper auf der Symbolleiste Auswahlfilter auswählen.

Eigenschaften

Lückenbereich für Verbindung Gibt den Abstand an, mit dem sich geometrische Elemente für Verbindungsinteraktionen qualifizieren. Der Standardwert für Maximale Lücke in Prozent beträgt 0,01 % der charakteristischen Länge des Modells und wird unter Standardoptionen > Interaktionen angegeben. Komponenten, deren Abstände größer als dieser Schwellenwert sind, werden nicht auf Komponentenebene verbunden. Sie können den standardmäßigen maximalen Abstand mit einem benutzerdefinierten Wert überschreiben.

Geben Sie für den maximalen Abstand einen sehr kleinen Wert anstelle von null ein, um die Verbindung von gekrümmter, deckungsgleicher Geometrie sicherzustellen.

Möglicherweise müssen Sie den angegebenen maximalen Abstand um eine kleine Toleranz erhöhen, um eine ordnungsgemäße Durchsetzung der Verbindung sicherzustellen. Um die Bereiche der Interaktionen (wie „Verbunden“, „Kontakt“ und „Frei“) zu überprüfen, verwenden Sie PropertyManager „Interaktions-Viewer“.
Mindestlücke berechnen Dieses Werkzeug ist verfügbar, wenn Sie zwei Komponenten in Komponenten für Interaktion auswählen, um einen verbundenen Kontakt anzuwenden.

Berechnet den Mindestabstand zwischen den beiden ausgewählten Komponenten.
Bindung von Schalenkante zu Volumenflächen/Schalenflächen und Kantenpaaren einschließen (langsamer) Erzeugt von Kante zu Kante verbundene Kontaktsätze für Kantenpaare, die sich innerhalb des zulässigen Abstands für die Verbindung befinden.
Die folgenden gültigen Kantenpaare von Schalen oder Blechkörpern sind für eine Verbindung geeignet sind:
  • Gerade, parallele und nicht interferierende Schalenkanten (oder beinahe parallel innerhalb eines Toleranzgrads).
  • Kreisförmige Kanten, die denselben Radius haben, konzentrisch und nicht interferierend sind.
  • Schalenkanten (gerade oder bogenförmig), die mit einer Schalenfläche (planar oder zylindrisch) verbunden sind.
Lückenbereich, der als Kontakt betrachtet wird: Gibt den Abstand an, mit dem sich geometrische Elemente für den Kontakt qualifizieren. Der unter Standardoptionen > Interaktionen angegebene Standardwert beträgt 10 % der charakteristischen Länge des Modells.
Bereich stabilisieren, wenn Lücke: Wendet einen kleinen Steifigkeitswert auf die qualifizierten Bereiche an, damit der Solver Stabilitätsmängel beseitigen und die Simulation starten kann. Die Software wendet Kontaktstabilisierung auf Komponenten an, die einen anfänglichen Abstand innerhalb eines Schwellenwerts von 1 % der charakteristischen Länge des Modells haben.

Sie können die zulässigen Abstände auf Ihre jeweiligen Modelle anpassen.
Reibungskoeffizient Gibt den Koeffizienten der statischen Reibung für die ausgewählte Komponente an. Der zulässige Bereich für den Reibungskoeffizienten ist 0 bis 1.0.

Die statischen Reibungskräfte werden berechnet, indem die an den Kontaktstellen erzeugten Normalkräfte mit dem gegebenen Reibungskoeffizienten multipliziert werden. Die Richtung der Reibungskraft ist der Bewegungsrichtung entgegengesetzt.

Erweitert

(Verfügbar für verbundene Interaktionstypen.)

Gemeinsame Knoten zwischen angrenzenden Begrenzungen erzwingen Erzwingt die Netzstetigkeit an den angrenzenden Begrenzungen der ausgewählten Komponenten und vernetzt die Komponenten als einen Körper. Diese Option wird nur bei der krümmungsbasierten und der Standard-Vernetzung unterstützt.
Verbindungsformulierung Gibt die Verbindungsformulierung für Komponenten an, die unabhängig voneinander vernetzt werden.

Oberfläche zu Oberfläche

Diese Option ist genauer, aber langsamer. Bei einer 2D-Vereinfachungsstudie wendet der Solver eine Kante-zu-Kante-Verbindung an.

Knoten zu Oberfläche

Aktivieren Sie diese Option nur, wenn Sie beim Lösen von Modellen mit komplizierten Kontaktoberflächen Leistungsprobleme haben. Bei einer 2D-Vereinfachungsstudie wendet das Programm eine Knoten-zu-Kante-Verbindung an.

Definieren von Interaktionen auf Komponentenebene

Sie können Interaktionen auf Komponentenebene verwenden, um den standardmäßigen globalen Interaktionstyp für ausgewählte Komponenten zu ändern, z. B. von einer globalen verknüpften Bedingung zu einer Kontaktinteraktion. Interaktionen auf Komponentenebene überschreiben Interaktionen auf globaler Ebene.

So legen Sie den Interaktionstyp für ausgewählte Komponenten fest:

  1. Klicken Sie in der Studien-Baumstruktur von Simulation mit der rechten Maustaste auf das Symbol Verbindungen und wählen Sie im Kontextmenü die Option Komponenteninteraktion aus.
  2. Wählen Sie im PropertyManager den gewünschten Interaktionstyp aus: Verbunden, Kontakt oder Frei.
  3. Wählen Sie unter Komponenten die gewünschten Komponenten (Teile oder Körper) aus der Flyout-Struktur des FeatureManagers aus.
  4. Für die Kontaktinteraktion können Sie den Reibungskoeffizienten angeben.
  5. Klicken Sie auf .
    Neben dem Symbol Netz wird ein Fehlersymbol eingeblendet, wenn Sie eine neue Interaktionsbedingung nach der Vernetzung ändern oder hinzufügen. Die Software vernetzt das Modell automatisch neu, bevor die Studie ausgeführt wird.

Thermischer Kontaktwiderstand

Der Nutzen der Analogie zwischen dem Fluss des elektrischen Stroms und dem Wärmestrom wird deutlich, wenn eine zufrieden stellende Beschreibung der Wärmeübertragung an der Schnittstelle zwischen zwei leitenden Medien erforderlich ist. Aufgrund von Herstellungsbeschränkungen bilden zwei feste Oberflächen, die zusammengedrückt werden, nie einen perfekten Kontakt. Wegen der Rauheit der Oberflächen entstehen immer kleine Luftzwischenräume an den Kontaktstellen.

Die Wärmeübertragung über die Schnittstelle der beiden sich berührenden Oberflächen kann mit zwei Mechanismen erfolgen. Erstens kann die Wärme durch Punkte des Feststoff-zu-Feststoff-Kontakts (QWärmeleitung) geleitet werden, was äußerst effektiv ist. Zweitens ist eine Wärmeleitung durch den mit Gas gefüllten Abstand (QAbstand) möglich. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit kann dies jedoch zu sehr mangelhaften Ergebnissen führen. Zur Berücksichtigung des thermischen Kontaktwiderstands wird ein Zwischenleitwert, hc, auf beiden Seiten der leitenden Medien in die Reihe eingefügt, wie in der nächsten Abbildung gezeigt.

Der Leitwert hc ähnelt dem Konvektionswärmeübertragungs-Koeffizienten und wird in derselben Einheit (W/m2 ºK) gemessen. Wenn ΔT der Temperaturunterschied über eine Schnittstelle von Fläche A ist, dann wird der Grad der Wärmeübertragung Q von Q = A hc ΔT definiert. Unter Verwendung der elektrisch/thermischen Analogie lässt sich dies als Q = ΔT/Rt wiedergeben, wobei Rt der thermische Kontaktwiderstand ist, der von Rt = 1/(A hc) definiert wird.

Der Zwischenleitwert hc richtet sich nach den folgenden Faktoren:

  • Oberflächenbeschaffenheit der sich berührenden Flächen.
  • Material der einzelnen Flächen.
  • Druck, mit dem die Oberflächen zusammengedrückt werden.
  • Substanz in den Abständen zwischen den beiden sich berührenden Flächen.

Die folgende Tabelle zeigt einige typische Zwischenleitwerte für eine normale Oberflächenbeschaffenheit und einen mäßigen Kontaktdruck (1 bis 10 atm). Sofern nicht anders angegeben, wurde die Luft nicht aus den Zwischenräumen entfernt.

Thermischer Widerstand, RthermischX10-4 (m2K/W)
 
Kontaktdruck 100 kN/m2 10,000 kN/m2
Edelstahl 6-25 0.7-4.0
Kupfer 1-10 0.1-0.5
Magnesium 1.5-3.5 0.2-0.4
Aluminium 1.5-5.0 0.2-0.4

In der folgenden Tabelle wird der thermische Kontaktwiderstand für Metallschnittstellen im Vakuum aufgelistet:

Kontaktflächen Leitwert (hc) (W/m2 ºK)
Eisen/Aluminium 45,000
Kupfer/Kupfer 10,000 - 25,000
Aluminium/Aluminium 2200 - 12000
Rostfreier Stahl/rostfreier Stahl 2000 - 3700
Rostfreier Stahl/rostfreier Stahl (Luft aus Zwischenräumen entfernt) 200 - 1100
Keramik/Keramik 500 - 3000

Thermischer Kontaktwiderstand – Beispiel

In der Elektronikindustrie werden Chips gewöhnlich über eine dünne Epoxy-Schicht mit Substraten verbunden. Ähnlich ist es in anderen Branchen. Die Modellerstellung der Epoxy-Schicht als eine separate Komponente erfordert die Verwendung einer sehr kleinen Elementgröße, was zu Vernetzungsfehlern oder einer unnötig großen Anzahl von Elementen führen kann.

Um den von der Epoxy-Schicht verursachten thermischen Widerstand zu berücksichtigen, ist keine Modellierung erforderlich. Der thermische Kontaktwiderstand wird als lokale (Oberfläche-zu-Oberfläche) Kontaktbedingung implementiert. Sie können entweder den gesamten Widerstand oder den Widerstand pro Einheitsbereich festlegen.

Modellierung von thermischen Kontaktwiderständen

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Modellierung von thermischen Kontaktwiderständen:
  • Sie können beim Erstellen der Geometrie die dünne Epoxy-Schicht ignorieren. Dies bedeutet, dass die Flächen der Komponenten, die in Wirklichkeit durch die dünne Schicht getrennt werden, das Modell berühren.
  • Sie können beim Erstellen der Geometrie die dünne Epoxy-Schicht berücksichtigen. In diesem Fall befindet sich zwischen den Flächen der thermischen Kontaktstelle eine Lücke. Bei dieser Methode müssen die folgenden zwei Aspekte beachtet werden:
    • Die höchste Genauigkeit der Ergebnisse wird erzielt, wenn der Abstand zwischen den zwei Kontaktflächen kleiner oder gleich der Elementgröße in der Umgebung ist. Im folgenden Beispiel können ungenaue Ergebnisse entstehen.

    • Das Aufspalten der Flächen für ein korrektes Zusammenpassen der thermischen Kontaktstelle ist zwar nicht erforderlich, führt jedoch zu einer größeren Genauigkeit.

  • Um unterschiedliche thermische Widerstände zwischen einer großen Fläche und mehreren kleineren Flächen festzulegen, müssen Sie die große Fläche zunächst in mehrere kleinere Flächen aufteilen, bevor Sie den unterschiedlichen Paaren den thermischen Kontaktwiderstand zuweisen.

Definition des thermischen Kontaktwiderstands

Definieren des thermischen Kontaktwiderstands:

  1. Klicken Sie in einer thermischen Studie mit der rechten Maustaste auf Verbindungen , und wählen Sie im Kontextmenü die Option Kontaktsatz aus.
    Der PropertyManager Kontaktsatz wird angezeigt.
  2. Stellen Sie den Typ auf Thermischer Widerstand ein.
  3. Wählen Sie im Feld Flächen, Kanten, Eckpunkte für Satz 1 die gewünschten Elemente aus, die mit einer oder mehreren Komponenten verknüpft sind.
  4. Wählen Sie im Feld Flächen für Satz 2 die gewünschten Flächen von einer anderen Komponente aus.
  5. Wählen Sie die Option Wärmewiderstand aus, und führen Sie folgende Schritte durch:
    1. Legen Sie unter Einheiten das Einheitensystem fest, das Sie verwenden möchten.
    2. Wählen Sie Gesamtwiderstand oder Verteilter Widerstand, und geben Sie einen Wert ein.
  6. Wählen Sie unter Erweitert die Option Knoten zu Oberfläche oder Oberfläche zu Oberfläche aus.
    Die Option Knoten zu Knoten ermöglicht nicht die Angabe des Wärmewiderstands, da verbundene Knoten von sich berührenden Flächen die gleiche Temperatur haben (perfekte Wärmeleitung).
  7. Klicken Sie auf .