Programmbeschreibung

Mit diesem Programm können Sie die Berechnungen der instationären Temperatur- und Spannungsverteilung in mehrschichtigen Platten, Hohlzylindern und Hohlkugeln unter beliebigen, zeitlich veränderlichen thermischen Belastungen durchführen.

Programmfunktionen

Da PVP Thermo Mechanic Axi ein internationales Programm ist, wurde nur eine englische Oberfläche erstellt.

Die graphische Benutzeroberfläche entspricht dem üblichen Windows-Standard mit Titelleiste, Menüleiste, Pulldownmenüs und Srollleisten. Als Eingabegeräte dienen Tastatur und Maus. Grundlegende Kenntnisse in der Bedienung von Windows-Anwendungen werden vorausgesetzt und daher nicht erläutert.

Bei umfangreichen Input- bzw. Ergebnisdaten ist ein Datenaustausch über die Windows-Zwischenablage (Tastenkombination Strg+C, Strg+V) möglich.

Titelleiste

Menüleiste

Menü File

Mit dem Befehl File – Exit kann das Programm beendet werden. Eine alternative Möglichkeit ist das Kreuz ganz rechts in der Titelzeile.

Menü Calculation

Mit den Befehlen „Start calculation“ und „Stop calculation“ kann eine Berechnung gestartet oder gestoppt werden.

Mit dem Befehl „Reset“ werden die berechneten Ergebnisse auf Null zurückgesetzt, die eingegebenen Randbedingungen bleiben jedoch bestehen.

Menü Help

Registrieren

Wenn das Programm zum ersten Mal geöffnet wird, muss in diesem

Menüpunkt die Registriernummer eingetragen werden.

Vertreiber

In diesem Menüpunkt werden die Daten des Vertreibers aufgeführt

Programm starten/beenden

Durch einen Doppelklick mit der linken Maustaste auf das Icon „PVP-Axi Thermo- Mechanic“ auf dem Desktop wird das Programm gestartet.

Um es zu beenden gibt es zwei Möglichkeiten:

Im Menü File kann der Befehl Exit gewählt werden.

In der Titelleiste kann zum Beenden des Programms auf das Kreuz ganz links geklickt werden.

Berechnung starten

Eingabe der Geometrie

Bauteilgeometrie wählen

Im Pull-down-Menü kann der Körper gewählt werden, für den die Berechnung durchgeführt werden soll. Zur Auswahl stehen:

– Platte – frei

– Platte – eingeschränkt 1 – zwischen zwei Scharnieren befestigt

– Platte – eingeschränkt 2 – fest eingespannt

– Zylinder – frei

– Zylinder – eingeschränkt

– Kugel

Lichter Radius

Im Feld „Inner radius“ kann die Länge des lichten Radius’ in Metern angegeben werden.

Eigenschaften der Schichten

In der Tabelle können die Eigenschaften der verschiedenen Schichten eingegeben werden. Dies sind:

Description – Position der Schicht
Width – Schichtdicke in m
Lambda – Wärmeleitfähigkeit in W/mK
Rho – Dichte in kg/m³
Cp – Wärmekapazität bei konstantem Druck in J/kgK
Alpha – Wärmeausdehnungskoeffizient
E – E-Modul in MPa
Mju – Querkontraktionszahl

Es können bis zu 24 verschiedene Schichten eingegeben werden.

Thermische und mechanische Belastungen

In diesem Programm kann konvektiver Wärmeübergang und/oder Wärmeaustausch durch Strahlung eingegeben werden. Wird in einem Feld nichts eingegeben, so wird dieses Feld nicht berücksichtigt.

Eingabe der Belastungen

Die Eingabe der Belastungen kann als Wert, als Funktion oder auch als logische Funktion eingegeben werden.

Beispiele

Schwingende Mediumstemperatur

Eine um einen Mittelwert 2 °C mit einer Amplitude von 25 °C und einer Periode von 100s könnte zum Beispiel mit

2+25*sin(#t/100*2*Pi)

eingegeben werden.

Sprungartige Änderungen

Bei sprungartigen Änderungen der Randbedingungen sind logische Funktionen hilfreich.

if(100<#t<=200;500;20)

bedeutet zum Beispiel, dass die Temperatur im Zeitraum von 100 bis 200 Sekunden mit 500 °C angegeben wird, andernfalls mit 20 °C.

Anfangstemperatur

In diesem Feld kann die Anfangstemperatur für alle Schichten eingegeben werden.

Randbedingungen an der Innen-/Außenseite

In diesen Feldern können die Randbedingungen an der Innen- und Außenseite eingegeben werden. Dies sind:

Convection temperature – Mediumstemperatur für Konvektion in °C
Alpha_a – Wärmeübergangskoeffizient in W/m²K
Emission temperature – Mediumstemperatur für Strahlung in °C
Epsilon12*Phi12, das Produkt aus Emissionskoeffizient und Einstrahl-zahl
Pressure – Druck in bar

Da im Stefan-Boltzmannschen-Gesetz die Temperatur mit der vierten Potenz eingeht, kann es bei hohen Mediumstemperaturen für Strahlung zu Instabilität kommen. Daher muss die Zeitschrittweite in diesen Fällen verkleinert werden.

Diagrammmaßstab

Benutzerdefinierter Maßstab

Für die graphische Darstellung können in den Feldern „Min.“ und „Max.“ das Minimum und das Maximum der y-Achse in den entsprechenden Einheiten selbst eingegeben werden. Mit einem Doppelklick in das Diagramm wird dieser Maßstab aktiviert.

Automatische Maßstabseinstellung

Durch Aktivieren des Feldes „Auto“ stellt sich der Maßstab der y-Achse automatisch ein.

Zeitschrittweite

In diesem Feld kann die Zeitschrittweite eingegeben werden, die Einfluss auf die Genauigkeit und die Dauer der Berechnung hat.

Je größer der Gradient in der Temperatur ist, desto feiner sollten die Zeitschritte gewählt werden.

Anzahl der X-Elemente

In diesem Feld kann die Anzahl der X-Elemente, die ebenfalls Einfluss auf die Genauigkeit und Dauer der Berechnung hat, eingegeben werden.

Je mehr X-Elemente angegeben werden, desto genauer wird die Berechnung.

„Time pro calculation“

In diesem Feld kann die Zeitschrittweite gewählt werden, für die die Ergebnisse ausgegeben werden.

Berechnung starten

Mit den Buttons „Calculate“ bzw. „Stop“ kann die Berechnung gestartet und angehalten werden.

Mit dem Button „Reset“ werden die berechneten Ergebnisse auf Null zurückgesetzt, die eingegebenen Randbedingungen bleiben jedoch bestehen.

Ergebnisausgabe

Die Ergebnisausgabe erfolgt sowohl in graphischer als auch in tabellarischer Form für einen Schnitt durch die Platten-/ Zylinderwand.

Diagrammbeschreibung

In dem Diagramm können verschiedene Funktionen dargestellt werden.

Durch Klicken mit der linken Maustaste auf die verschiedenen Blattköpfe stehen folgende Diagramme zur Auswahl:

Temperature – Temperaturverlauf in °C
Heat flux – Wärmestromdichte in W/m²
Stresses – Spannungskomponenten s_x, s_y, s_z bzw. bei zylindrischen Bauteilen Radial-, Tangential- und Längsspannung in MPa
Displacements – Verschiebungen in m
Compare stresses (Mises) – Vergleichsspannungen (Mises) in MPa
Miscellaneous data – Sonstige Daten
Time dependencies – Zeitabhängigkeit

Falls mehrere Funktionen gleichzeitig dargestellt werden, so ist die Schriftfarbe des Tabellenkopfes mit der Farbe des Graphens identisch.

Tabellenbeschreibung

In der Tabelle wird der zeitliche Verlauf dargestellt.

In den Tabellen des Temperaturverlaufs, der Wärmestromdichte, der Verschiebungen und der Vergleichsspannung werden jeweils drei Werte pro Schicht angegeben. Diese beziehen sich auf den Anfang, die Mitte und das Ende der Schicht.

So sind in der Spalte „Border 0-1“ die Werte an der Grenze des lichten Radius’ und der ersten Schicht gemeint. „Mittel 1“ bezieht sich auf die Mitte der ersten Schicht und „Border 1-2“ auf die Grenze der ersten und der zweiten Schicht.

In der Tabelle der Spannungskomponenten werden jeweils die einzelnen Komponenten dargestellt, die sich auf die gesamte Schicht beziehen.

Weiterverarbeitung der Daten

Aufgrund des hohen Umfangs der Ergebnisse können die Daten der Tabelle zur weiteren Verarbeitung (v.a. die Darstellung des zeitlichen Verlaufs) in die Zwischen-ablage und danach in beliebige Programme (z. B. Tabellenkalkulationsprogramme) kopiert werden. Dazu markiert man die zu kopierenden Daten und speichert sie mit der Tastenkombination Strg + C in der Zwischenablage. Mit der Tastenkombination Strg + V können sie in ein anderes Programm eingefügt werden.

Beispiel

Mit „PVP-Axi Thermo-Mechanic“ ermittelte Spannungskomponenten können in das Programmmodul Vergleichsspannungsschwingbreite übernommen werden. Dieser Modul gestattet die Vergleichsspannungsschwingbreite, die Basis für eine Ermüdungsanalyse ist, zu bestimmen.