7. СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ТЕПЛООБМЕН

Анализ установившегося или неустановившегося теплового переноса посвящен прогнозированию распределения температуры в объекте подвергнутого нагреванию, радиации, конвекции и прохождению электротока. Анализ термического напряжения прогнозирует напряжения, перемещения из-за теплового расширения или усадки.

Процессы	Входные параметры	Выходные параметры	Типичные приложения
Анализ установившегося теплового переноса	Узловые температуры, данные теплового потока, конвекции, электропроводимости, радиации и данные о внутренней генерации тепла.	Узловые температуры, данные о потоке тепла через поверхность, тепловом потоке в элементах. Температурные данные используются для анализа термических напряжений при статическом модуле напряжений.	Подшипники, двигатели, режущие инструменты. Расширение и усадка из-за термических эффектов в собранных структурах.
Анализ неустановившегося (зависящего от времени) теплового переноса	Узловые температуры и данные теплового потока в зависимости от времени. Данные о внутренних и узловых генерациях тепла и конвекции.	Узловые температуры, данные о потоке тепла через поверхность в зависимости от времени. Температурные данные используются для анализа термических напряжений при статическом модуле напряжений.	Тепловые эффекты зависящие от времени. Энергия охлаждения ядерного реактора. Орудия. Гашение стали. Холодные водяные капли на горячих металлических поверхностях.

Для выполнения анализа теплового переноса и статического структурного анализа используются одинаковые типы элементов. Не нужно уменьшать порядок элементов или повторно разделять модель сеткой. Для трехмерных (3D) элементов в виде кирпича имеются 3 узловых перемещения для статического анализа. Узловая температура - дополнительная переменная. Поэтому, имеются 4 переменные в узле для анализа термических напряжений. Структурная матрица жесткости не зависит от граничных условий или узловой температуры

Изменение температуры вызывает тепловое расширение или усадку. Равномерное нагревание вызывает только деформацию, но не термическое напряжение. Высокая температура является причиной термического расширения твердого тела. Большая разница температур вызывает искривление балки. Термические напряжения также вызываются разницей температур. Чем меньше расстояние между узлами с различными температурами, тем больше искривление и термические напряжения.

Охлаждение вызывает усадку и растягивающие напряжения sz практически во всех конечных элементах. Напряжение не зависит от ширины пластины. Напряжение на левой стороне образца с вырезом очень мало. Но имеется градиент напряжений в секции A - B. Наибольшее напряжение находится в элементе A.

Закалка стальной структуры в масле может быть смоделировано модулем неустановившегося теплового переноса. Результаты переносятся в статический анализ для вычисления термических напряжений. Закалка вызывает усадку внешних поверхностей и появления растягивающего напряжения на этих поверхностях. Напряжение увеличивается, если есть существенное изменение сечения в местах пересечения толстых и тонких частей детали.

Сосуд давления с биметаллическими стальными стенками был нагрет до 400oC. Коэффициент теплового расширения выше для нержавеющей стали. Слой из нержавеющей стали расширяется, но слой из титанового сплава не может иметь таких больших деформаций. Поэтому в нержавеющей стали возникает отрицательное тангенциальное термическое напряжение и дополнительное сжимающее термическое напряжение на границах слоев.

Однородное нагревание недеформируемого кольца приводит к его расширению в тангенциальном направлении. Также имеются небольшие перемещения и в радиальном направлении. Тонкая куполообразная пластина будет иметь большее радиальное перемещение. Это приводит к движению вверх центральных точек.

Холодная капля воды на горячей металлической поверхности вызывает термическое разрушение из-за местных растягивающих напряжений. Распределение температуры в структуре используется как нагрузка для структурного анализа при вычислении термического напряжения. Температура может быть рассчитана, используя дифференциальное уравнение, описывающее неустановившийся тепловой перенос с источником высокой температуры. В этом случае: k - коэффициент теплового переноса; T - температура; t - время; Q(t) - источник высокой температуры.