Temperaturfelder mit ANSYS analysieren

ANSYS bietet umfangreiche Analysemöglichkeiten von stationären und instationären (transienten) Temperaturfeldern. Die Berechnung von Wärmeübertragungsproblemen dient dazu, die Temperaturen in einem Bauteil zu bestimmen. Ferner können diese Berechnungen auch mit strukturmechanischen oder elektromagnetischen Simulationen gekoppelt werden. Für die Kühlung elektrischer und elektronischer Systeme bietet ANSYS spezielle Lösungen an.

Die Wärmeübertragung kann linear oder nichtlinear erfolgen

Mit der Temperaturfeldberechnung kann untersucht werden, welche Temperaturverteilung sich unter bestimmten Einsatzbedingungen ergibt, wobei von ANSYS sowohl eine lineare als auch eine nichtlineare Wärmeübertragung unterstützt wird. Dazu können Temperaturen, Konvektion, Leistungen und Leistungsdichten in den einzelnen Bereichen einer Baugruppe definiert werden. Als Berechnungsergebnis zeigt die Temperaturverteilung, wo sich welche Temperatur einstellt. Die Wärmestromdichte verdeutlicht sozusagen den "Stau" des Energieflusses und gibt dadurch wertvolle Hinweise, wie sich der Wärmehaushalt optimieren lässt.

ANSYS unterstützt temperatur- und druckabhängige Simulationen

Dabei kann die Wärmeübertragung durch unterschiedliche Kontaktarten erfolgen. Bei der direkten Wärmeleitung (Konduktion) können mit ANSYS temperatur- und druckabhängige Simulationen in gekoppelter Form erfolgen. Beim Wärmeübergang (Konvektion) beziehen sich die Finite-Elemente-Berechnungen im Nahbereich auf den Kontaktpartner und im Fernbereich auf die Umgebung. Ähnlich wie bei der Konvektion wird die Übertragung bei der Wärmestrahlung (Radiation) berechnet, wobei hier insbesondere der Spaltabstand zu berücksichtigen ist. Zusätzlich ist mit ANSYS die Reibungswärmeerzeugung berechenbar.

Im FE-Modell sind die temperaturabhängigen Materialeigenschaften definiert

Unter anderem können mit ANSYS verschiedene Aufgabenstellungen für einen Heizblock analysiert werden, zum Beispiel die Aufheizzeiten, Halteleistung, Temperaturverteilung im Heizblock, Probenzugabe und Heizasymmetrien. Bei der Erstellung des Finite-Elemente-Modells werden dazu die temperaturabhängigen Materialeigenschaften und Kontaktwärmeleitfähigkeiten definiert sowie die Strahlung und Konvektion bei den Kontakten berücksichtigt.

Bei der thermischen Analyse kann dann als erster Schritt eine stationäre und danach zum Beispiel für die Aufheizung eine transiente Berechnung durchgeführt werden. Bei transienten Problemen ändern sich die Temperaturen im Bauteil und damit die innere Energie in Abhängigkeit von der Zeit. Deshalb muss eine Energiebilanz die von außen zu- oder abgeführten Energien und die innere Energie berücksichtigen. Die sich daraus ergebenden Resultate der ANSYS-Software für die Temperaturfelder können natürlich stets mit den Messergebnissen eines im Heizblock integrierten Messfühlers validiert werden.