CC BY
66
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭВС В ПРИЛОЖЕНИИ COSMOSWORKS
Н.С. Кармановский, Д.А. Боголюбов
В статье рассматривается комплекс программ инженерного анализа COSMOSWorks, разработанный корпорацией Structural Research & Analysis Corp., на примере реализации расчета тепловых режимов детали либо сборки.
Введение
В настоящее время большое количество разнообразных публикаций посвящено CAD/CAE системам, в том числе SolidWorks и встроенной в нее программе расчета COSMOSWorks, разработанными компанией Structural Research and Analysis Corporation, CA, USA, позволяющей, в частности, анализировать тепловые режимы разрабатываемых блоков. Процесс интерпретации получаемых результатов описывается только в литературе, посвященной САПР SolidWorks [1, 2], причем общих принципов расшифровки результатов расчетов не приводится ни в одном издании. Единственным источником информации по этому вопросу могут служить форумы инженеров в Интернете, где созданы условия для обмена опытом. В настоящей статье предлагается рассмотреть общие принципы интерпретации результатов тепловых расчетов в приложении COSMOSWorks 2005, полученных на конкретных исследованиях.
SolidWorks по своему назначению - это CAD система, предоставляющая полный цикл моделирования: проектирование трехмерных сборок из отдельных деталей, сборочных чертежей и деталировок, а также наглядное представление трехмерных деталей.
Рис. 1. Результат теплового расчета
Для установки SolidWorks 2005 предъявляются следующие системные требования: операционная систем -: Microsoft Windows XP SP1, Windows 2000 SP2, Windows NT 4.0 SP6, Windows Me, Windows 98 SE; процессор - Intel Pentium® или AMD Athlon; оперативная память -512 Мб и более; проверенная комбинация драйвера с графическим адаптером; наличие мыши; наличие дисковода для компакт-дисков; установленные программы: Microsoft Office XP или аналогичная для использования таблиц проектов и спецификаций материалов; браузер Internet Explorer 5.5 и выше.
В данной статье рассмотрена трехмерная модель блока Я^-514, представляющая собой сборку из 52 элементов. В реальности это несколько блоков и микросхем, закрепленных на термостатируемой плите (температура 25° С).
Расчеты модели проводились при следующих начальных условиях:
• начальная температура основания 25° С;
• тепловая мощность блока электронных узлов - 3 Вт;
• материал основания и конструктивных элементов - сплав Д16;
• материал печатных плат - стеклотекстолит СФ-2.
• габариты блока 287x362x260 мм (с учетом защитного кожуха).
Суть расчета состояла в том, чтобы при заданной мощности блока (блок расположен с одной стороны термостатируемой плиты) рассчитать стационарный тепловой режим.
На рис.1 представлен анализ результатов расчета модели блока ЯБ8-514, сделанного в СОЗМОЗ^Могкв.
Программа предоставляет возможность рассчитать как стационарный тепловой режим, так и переходные процессы. COSMOSWorks позволяет не только выполнить расчет, но и визуально представить его результаты. На рис. 1 показаны различные температурные зоны перегрева в соответствии с приведенной на рисунке шкалой.
Максимальный нагрев зарегистрирован на поверхности блока электронных узлов и составляет 29° С. Видно, что при такой температуре блок работает в нормальном тепловом режиме, и перегревы не превышают допустимых.
В ходе макетных испытаний получено, что перегрев блока электронных узлов не превысил 0,5 К по сравнению с величинами, полученными расчетным путем с использованием программы COSMOSWorks, что свидетельствует о высокой точности результатов, предоставляемых программой.
Большое влияние на результаты оказывают исходные данные. Существует две категории ошибок, допускаемых при задании начальных и граничных условий: ошибки с физической точки зрения и неучтенные особенности метода конечных элементов. Ниже приведены рекомендации по устранению каждого из типов ошибок.
1. Рекомендации с точки зрения теплофизики:
1.1. необходимо задать в качестве начальных условий начальную температуру, в особенности базового крепежного элемента, через который осуществляется кондуктив-ный теплообмен;
1.2. так как анализ тепловых режимов в COSMOSWorks 2005 позволяет учитывать все виды теплообмена (конвективный, кондуктивный и излучение), необходимо определить наиболее значимые составляющие и в качестве исходных данных задавать только их с целью экономии затрат мощностей компьютера;
1.3. необходим тщательный учет теплоотводов, крайне важно учесть термоста-тируемые элементы;
1.4. с большой осторожностью следует подходить к заданию тепловых контактов, так как расчет контактных тепловых сопротивлений не всегда происходит корректно и требует существенных затрат памяти.
2. Рекомендации с точки зрения метода конечных элементов и особенностей программы
2.1. Необходимо учитывать, что при измельчении конечно-элементной сетки значения некоторых параметров могут быть теоретически бесконечными вследствие особенностей внутренних алгоритмов программы COSMOSWorks. В расчете тепловых режимов это относится, прежде всего, к параметру «Тепловая мощность».
2.2. Важно помнить, что конечно-элементная модель задачи теплопроводности предполагает, что в каждом узле присутствует только одна степень свободы - температура.
2.3. Необходимо понимать, что чрезмерное уточнение исходных данных приводит к увеличению размерности задачи, вследствие чего программе может не хватить памяти, и расчет будет прекращен.
Результаты всех расчетов, в том числе и теплового, представляются в виде распределения значений соответствующих параметров по поверхности детали (сборки). Результаты теплового расчета отображаются следующим образом: каждая точка окрашивается в определенный цвет, соответствующий температуре, которую приобретает данная точка после приложения тепловых нагрузок. Представление деформаций в результате нагрева программой не предусмотрено.
COSMOSWorks предоставляет пользователю информацию о результатах теплового расчета в виде цветной диаграммы и легенды, содержащей численные значения для каждого цвета. Кроме того, для удобства пользователя программа может самостоятельно сформировать текстовый отчет в формате HTML. Есть возможность посмотреть температуру в каждой точке детали. Для этого исследуемая точка выделяется курсором. Координаты точки также выводятся на экран.
Результаты, предоставляемые COSMOSWorks, отличаются высокой точностью и наглядностью, однако существует несколько проблем, связанных с их интерпретацией.
• Точность графического анализа теплового режима в сильной степени зависит от выставленной в предварительных настройках цветовой шкалы перегревов.
• Если рассчитанное значение параметра какой-либо части сборки сильно отличается от остальных (или противоречит здравому смыслу), то, как правило, это означает, что не было задано (или задано неверно) начальное значение параметра или некорректно заданы свойства материала. COSMOSWorks 2005 отличается высокой достоверностью представляемых результатов расчета в том случае, если верно были заданы свойства использованных в детали (сборке) материалов, способы крепления и начальные тепловые нагрузки.
Наиболее распространенные ошибки при интерпретации результатов, полученных в ходе расчета тепловых режимов с помощью программы COSMOSWorks:
• пользователь не учел того, как и для каких элементов были введены исходные данные для расчета;
• большее внимание уделено цветовой диаграмме, а не числовым параметрам, полученным в результате расчета;
• недостаточное внимание было уделено допущениям и ограничениям, заложенным в самом алгоритме программы COSMOSWorks, изложенных в специальной литературе [1, 2].
Как видно, большинство ошибок при работе с результатами расчета тепловых режимов в программе COSMOSWorks грамотный пользователь может предупредить самостоятельно. При этом необходимо отметить, что достоверность предоставляемых COSMOSWorks результатов теплового расчета достаточно высока при соблюдении всех требований к исходным данным и граничным условиям. При этом надо помнить, что эти результаты могут восприниматься исключительно в качестве общей характеристики тепловых режимов детали.
COSMOSWorks показал себя как действенный инструмент расчета. Результаты, предоставляемые этой программой, могут быть с успехом применены в презентации какого-либо проекта, в качестве иллюстрации к каким-либо техническим данным, а также в учебных целях.
Учет необратимых пластических деформаций, структурных дефектов, теплового расширения, сложных условий контакта, накопления повреждений и т.д. требует использования специальных вычислительных пакетов, применимых лишь в конкретных задачах (после более точного физического моделирования проблемы).
Заключение
В ходе проведенного исследования были рассмотрены основные принципы интерпретации результатов расчета тепловых режимов в приложении COSMOSWorks. Показаны типичные пользовательские ошибки, допускаемые при интерпретации, а также недочеты самого приложения COSMOSWorks. Результаты исследования позволяют сделать выводы о широких возможностях программы, о перспективах ее применения в различных сферах деятельности.
Литература
1. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М., 2004. 257 с.
2. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов А.А., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб, 2004. 306 с.
