تحلیل تنش حرارتی در آباکوس (کوپل حرارت – تنش در ABAQUS)

تحلیل‌ها و آنالیزهای موجود در مهندسی مکانیک به یک حوزه خاص محدود نمی‌شود. بدون شک از مجموعه مباحث دروسی مانند مقاومت مصالح و طراحی اجزا بخاطر دارید که بسیاری از مسائل صنعتی و طراحی نیازمند ترکیب دو علم مختلف با یکدیگر است. در این بین، ترکیب مسائل حرارتی – تنشی از جایگاه ویژه‌ای برخوردار بوده و دامنه کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است به گونه‌ای که با یک جستجوی ساده متوجه مراجع عظیمی در مسائل همبسته یا کوپل حرارت – تنش در اجزایی نظیر چرخدنده‌ها خواهید شد. آباکوس بعنوان یک نرم‌افزار اجزای محدود توانمند، قابلیت مدل‌سازی مسائل پیچیده کوپل حرارت – تنش را در خود دارد. از این‌رو تصمیم گرفتیم تا با یک مثال زیبا، اصول اساسی مدل‌سازی مسائل کوپل حرارت – تنش در آباکوس را برای شما عزیزان تشریح کنیم. با ما در این آموزش آباکوس همراه باشید.

بی‌متال (Bimetal) یا در ترجمه‌ای تحت‌الفظی دوفلز، به قطعاتی گفته می‌شود که از دو فلز غیرهم‌جنس (بویژه فلزهایی با ضریب انبساط متفاوت) ساخته شده است. در پروسه ساخت قطعات بی‌متال، دو فلز در حالت گرم و با استفاده از غلتک به یکدیگر پرس می‌شوند اما حاصل این کار به صورت قطعه‌ای یکپارچه دیده می‌شود. عبور جریان الکتریکی از این قطعه سبب ایجاد حرارت و ازدیاد طول در فلزهای سازنده می‌شود، اما با توجه به تفاوت در ضریب انبساط، قطعه به سمت فلز با ضریب انبساط پایین‌تر خم خواهد شد. این جابجایی به وسیله یک اهرم یا به شکل مستقیم سبب قطع/ وصل شدن کنتاکت‌ها می‌شود. این ویژگی سبب شده تا از بی‌متال ها به شکل گسترده در فیوزها و رله‌ها استفاده شود.

نحوه عملکرد کلید بی‌متال (Bimetal) در تصویر زیر به نمایش در آمده است.

صورت مسئله آنالیز کوپل حرارت – تنش در آباکوس:

قصد داریم در این مثال یک کلید بی‌متال با خواص حرارتی و مکانیکی مشخص را مورد تحلیل حرارتی- تنشی قرار دهیم. فرآیند شامل دو مرحله اعمال بار حرارتی و دفع حرارت به محیط اطراف می‌باشد. با در نظر گرفتن یک پین نیم استوانه‌ای بعنوان سطح ثانویه برای تماس بی‌متال، رفتار مجموعه را در آباکوس مدل‌سازی و تحلیل اجزای محدود نمایید.

• ◄ حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی
• ◄ اطلاعات بیشتر: Wikipedia.Org ، Simuleon.com
• ◄ تذکر: دانلود فایل CAE پروژه آنالیز کوپل حرارتی – تنشی در آباکوس (فایل مدل هندسی) از لینک زیر:

دانلود فایل‌ CAE

حل مسئله تحلیل کوپل حرارت – تنش در Abaqus:

مطابق روند شبیه‌سازی سایر مسائل در آباکوس، به محیط Part وارد شده و به ایجاد مدل هندسی مورد نظر بپردازید. از آنجایی که سایر مراحل تحلیل از اهمیت بیشتری برخوردارند، به شما توصیه می‌کنیم فایل CAE مسئله را دانلود کرده و در نرم افزار Abaqus فراخوانی نمایید.

پس از وارد کردن مدل هندسی مسئله، به محیط Property رفته و دو ماده موردنظر در قطعه را ایجاد نمایید. در ابتدا مطابق تصویر زیر خواص مکانیکی و حرارتی از جمله ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه مربوط به فولاد را وارد نمائید.

ابتدا ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه مربوط به فولاد را مطابق تصویر زیر وارد کنید.

حال خواص الاستیک فولاد از جمله مدول یانگ، ضریب پواسون و همچنین ضریب انبساط حرارتی (Expansion Coefficient Alpha) را مطابق تصویر زیر وارد کنید.

حال چگالی فولاد را نیز مطابق شکل وارد کنید.

سپس مطابق فولاد، خواص مذکور را برای آلومینیوم نیز با دقت و مطابق راهنمای تصویری زیر وارد کنید.

ابتدا ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه مربوط به آلومینیوم را مطابق تصویر زیر وارد کنید.

حال خواص الاستیک آلومینیوم از جمله مدول یانگ، ضریب پواسون و همچنین ضریب انبساط حرارتی (Expansion Coefficient Alpha) را مطابق تصویر زیر وارد کنید.

و در مرحله آخر چگالی آلومینیوم را نیز مطابق شکل وارد کنید.

در ادامه دو مقطع از نوع Solid, Homogeneous با مواد فوق ایجاد کرده و با استفاده از Set های تعریف شده، به هر فلز اختصاص دهید.

در گام بعد وارد محیط Assembly شوید و قطعات موجود را مونتاژ نمایید. پیشتر و در فایل CAE عملیات مونتاژ و جایابی قطعات در Abaqus را انجام شده است، اما چنانچه با مشکلی مواجه شدید می‌توانید از تصویر زیر کمک بگیرید.

سپس، با هدف تعیین نوع حلگر و گام‌های زمانی فرآیند حل در آباکوس، به ماژول Step وارد شوید. با توجه به ماهیت مسئله بی‌متال (تعریف تماس بین دو قطعه در یک مرحله، اعمال بار حرارتی در مرحله دوم و فرآیند کاهش یا دفع حرارت در مرحله سوم) نیاز به تعریف سه گام حل خواهیم داشت. لذا در مرحله اول، یک حلگر از نوع Static, General با طول زمان 1s مطابق تصویر زیر تعریف کنید.

برای مراحل دوم و سوم نیز، گام‌هایی از نوع Temp-Displacement با طول زمان 1s و 10s ایجاد کنید. تصاویر زیر می‌تواند به شما کمک کند.

تنظیمات حلگر در مرحله خنک سازی نیز به صورت زیر است.

همچنین در History Output به تعریف یک HO مجزا با متغیر خروجی CSTRESS در قلمرو Pin-1.CP بپردازید.

حال نوبت آن رسیده که با توجه به ماهیت مسئله، رفتارهای  تماسی مناسب را ایجاد کنید. برای این منظور کافیست در نرم‌افزار آباکوس وارد محیط Interaction شده و به کمک Setهای تعریف شده ، نسبت به ایجاد تماس مکانیکی بین پین و Bimetal و انتقال حرارت از نوع Surface Film بین بی‌متال و محیط اطراف با دمای 20C اقدام نمایید.

در گام بعد به ماژول Load رفته و در مرحله Initial، مجموعه Surf-ENC از پیش تعریف شده را در تمامی جهات مقید کنید.

سپس، مطابق تصویر زیر در گام مربوط به اعمال بار حرارتی، شاری با بزرگی 0.2 واحد به بی‌متال وارد کرده و در گام خنک‌سازی مقدار آن‌را به صفر تغییر دهید.

در ادامه، بر روی گزینه Predefined Load کلیک کرده و با انتخاب مرحله Initial، دمای 20 C را بعنوان دمای محیط به کل مجموعه اختصاص دهید.

با اتمام مراحل فوق در آباکوس، مسئله جهت ایجاد شبکه اجزا محدود در ماژول Mesh آماده شده است، لذا با استفاده از المان‌های C3D8RT مدل Bimetal و پین را مش‌زنی کرده و مسئله را برای تحلیل به ماژول Job ارسال نمایید. تصاویر زیر بیانگر کانتور تنش و دما در مجموعه بی‌متال و پین است.

تمرین: بعنوان یک تمرین، نمودار تنش بر حسب زمان را در هر دو عضو ترسیم کنید.

نتایج تحلیل خود را با ما در میان بگذارید. آیا توانسته اید عملکرد کلید را درک کنید؟

منبع : آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک