Toplotni procesi, kot so prevodnost, konvekcija in sevanje, imajo ključen vpliv na strukturno obnašanje in življenjsko dobo komponent. V realnih pogojih materiali in sestavi niso izpostavljeni le mehanskim obremenitvam, temveč tudi različnim temperaturnim vplivom, ki lahko povzročijo termične napetosti, deformacije ali pospešeno utrujanje materiala. Lokalne vroče točke lahko na primer zaradi slabe toplotne prevodnosti povečajo notranje napetosti, medtem ko neenakomerna konvekcija ali sevanje povzroča nepredvidene temperaturne gradientne efekte, ki vplivajo na dimenzijsko stabilnost in povezave med komponentami.
Simulacije termalnih procesov omogočajo natančno analizo teh pojavov, kar inženirjem omogoča predvidevanje strukturnih odzivov in optimizacijo dizajna za podaljšanje življenjske dobe izdelkov. Z uporabo numeričnih modelov, kot so končne elementne metode, je mogoče preučiti, kako toplota prehaja skozi material, kako vpliva na napetosti in deformacije ter kako se komponenta odzove na dolgotrajno izpostavljenost temperaturnim ciklom. Takšni simulacijski pristopi so ključni za razvoj zanesljivih, varnih in trajnih izdelkov, saj omogočajo identifikacijo kritičnih območij in implementacijo ustreznih hladilnih ali izolacijskih rešitev že v fazi načrtovanja.
Termalne FEM simulacije
Pri termalnih FEM (finite element analysis oz. metoda končnih elementov) simulacijah opazujemo pojave kot so prenos toplote, konvekcija in sevanje. Poda nam razumevanje, katere komponente so najbolj temperaturno obremenjene, ne pa tudi, kako ta toplota vpliva na okolico oz. sestav sam. Termalna simulacija je lahko statična ali pa tranzientna, kjer lahko predpišemo spremenljivo temperaturo skozi čas. Služi kot osnova za bolj napredne simulacije, ki upoštevajo še spreminjanje okolja in sestava samega.
Pogosto se uporabljajo tako v naprednih kot v vsakdanjih primerih, zato je pomembno, da lahko rezultate predstavimo tako, da uporabnik intuitivno vidi šibke točke zasnove. Področja so:
- Elektronika – za analizo segrevanja vezij, baterij in procesorjev ter optimizacijo hlajenja.
- Avtomobilska industrija – pri preučevanju temperaturnih obremenitev motorjev, zavor in izpušnih sistemov.
- Energetika – za modeliranje toplotnih tokov v toplotnih izmenjevalcih, turbinah in hladilnih sistemih.
- Gradbeništvo – pri ocenjevanju toplotnih izgub, izolacijskih lastnosti in učinkovitosti prezračevanja.
- Gospodinjski aparati in stroji – za izboljšanje učinkovitosti hlajenja in varnosti pri uporabi.
Takšne tipe simulacij lahko izvajamo tako s SOLIDWORKS rešitvami kot na 3DEXPERIENCE platformi s SIMULIA produkti.
Termalne CFD Simulacije
Termalne CFD simulacije so računske metode, s katerimi analiziramo prenos toplote v kombinaciji s tokom tekočin in plinov. Temeljijo na numeričnem reševanju fizikalnih enačb za gibanje tekočin (Navier–Stokesove enačbe) ter vključujejo procese prevodnosti, konvekcije in sevanja. S takšnimi simulacijami lahko inženirji napovejo temperaturna polja, prepoznajo kritične točke pregrevanja ter ocenijo učinkovitost hlajenja ali izolacije. Uporabljajo se pri razvoju elektronskih naprav, strojev, energetskih sistemov in gradbenih elementov, saj omogočajo optimizacijo zasnove in podaljšanje življenjske dobe komponent, še preden pride do fizičnega prototipa.
Snovanje mreže za CFD metodo termalne analize je bolj kompleksno, saj je potrebno poskrbeti za tesnost volumna in pravilno y+ vrednost za metodo, katero uporabljamo. Tako SOLIDWORKS kot SIMULIA uporabljata avtomatične načine mreženja, zato je izdelava mreže uporabniku poenostavljena. Po avtomatski generaciji mreže je potrebno preveriti tudi model za možne poenostavitve, ki lahko potencialno precej skrajšajo računske čase.
Področja, kjer se uporabljajo termalne CFD simulacije so:
- Elektronika – napovedovanje segrevanja tiskanih vezij, procesorjev in baterij ter optimizacija hlajenja z ventilatorji ali hladilnimi rebri.
- Avtomobilska industrija – analiza hlajenja motorjev, zavornnih sistemov ali klimatskih naprav v vozilih.
- Energetika – modeliranje pretoka toplote v toplotnih izmenjevalcih, turbinah in hladilnih stolpih.
- Gradbeništvo – ocena toplotnih izgub skozi fasade, prezračevalne sisteme in stavbne izolacije.
- Letalska in vesoljska industrija – simulacije segrevanja komponent zaradi aerodinamičnega trenja ali sevanja v vesolju
Termalne CFD simulacije se prav tako lahko izvajajo v SOLIDWORKS-u in SIMULI-i, kjer različne lastnosti programov vplivajo na računske čase in način nastavljanja simulacije.
Termalno-Strukturne Simulacije
Termalno-strukturne simulacije združujejo analizo prenosa toplote z oceno mehanskega odziva materialov in konstrukcij. Pri segrevanju ali ohlajanju se namreč materiali raztezajo oziroma krčijo, kar povzroča notranje napetosti, deformacije in s tem vpliva na celotno strukturno obnašanje. Takšne simulacije omogočajo napovedovanje termičnih napetosti, preverjanje odpornosti konstrukcij pri obratovalnih temperaturah ter oceno življenjske dobe komponent. Pogosto se uporabljajo v energetiki, elektroniki, transportu in gradbeništvu, kjer je povezava med toplotnimi pogoji in mehansko stabilnostjo ključna za zanesljivost izdelkov.
Termalno-Strukturne Simulacije so direktna nadgradnja termalnih simulacij, saj poleg prenosa toplote in termičnih kapacitet komponent lahko opazujemo tudi napetosti in deformacije, ki nastanejo zaradi toplotnega raztezanja in krčenja materiala. Kot del simulacije najprej definiramo termalni del, kar je identičen postopek kot če bi želeli definirati le prevod toplote. Nato lahko izračunane podatke termalne simulacije uporabimo kot temperaturno obremenitev v strukturnem delu analize.
Vsi tipi termalnih analiz se uporabljajo v istih industrijah, a z različnimi cilji in razlogi:
- Elektronika – analiza termičnih napetosti na vezjih, ohišjih in spajkah zaradi segrevanja komponent.
- Energetika – preverjanje obremenitev v turbinah, kotlih, toplotnih izmenjevalcih in jedrskih reaktorjih.
- Avtomobilska industrija – vpliv segrevanja motorjev, zavor in izpušnih sistemov na mehansko stabilnost delov.
- Letalska in vesoljska industrija – analiza deformacij in napetosti zaradi ekstremnih temperaturnih obremenitev, npr. pri vstopu v atmosfero.
- Gradbeništvo – vpliv temperaturnih sprememb na raztezanje betona, jeklenih konstrukcij ali mostov.
- Proizvodni procesi – simulacija varjenja, litja ali aditivne proizvodnje, kjer termični vplivi povzročajo napetosti in deformacije v materialu.
Skupni imenovalec termalnih, termalnih CFD in termalno-strukturnih analiz je razumevanje vpliva toplote na delovanje, zmogljivost in zanesljivost sistemov. Klasične termalne analize omogočajo vpogled v temperaturna polja in osnovne toplotne tokove, kar predstavlja temeljno izhodišče za razumevanje obratovalnih pogojev. Termalne CFD simulacije to znanje nadgradijo z vključevanjem dinamike tekočin in plinov, kar omogoča natančno napovedovanje procesov hlajenja, prezračevanja in prenosa toplote v realnih okoljih, kjer so vplivi toka zraka ali tekočin odločilni za delovanje sistema. Termalno-strukturne simulacije pa povežejo toplotne obremenitve z mehanskim odzivom materialov, saj vsaka sprememba temperature povzroči raztezke, napetosti in potencialne deformacije, ki lahko bistveno vplivajo na stabilnost in življenjsko dobo konstrukcij ali komponent.
S kombinacijo vseh treh pristopov dobimo celovit inženirski pogled na sistem – od razumevanja temperaturnih pogojev, preko ocene učinkovitosti hlajenja, do napovedovanja mehanskih posledic segrevanja. Tak pristop omogoča optimizacijo zasnove že v virtualnem okolju, zmanjšuje stroške fizičnega testiranja in prototipiranja ter bistveno pripomore k razvoju trajnejših, varnejših in energetsko učinkovitejših izdelkov.
Če vas zanima, kako lahko termalne simulacije uporabite v svojo korist, nam pišite na info@ib-caddy.com ali pa nas pokličite na (01) 566 12 55.