Soporte al Usuario de COSMOS/™ -- Nota Técnica Nº 85
ANALISIS TERMICO POR CONDUCCION Y RADIACION
DE UN CHASIS DE ALUMINIO
Productos: COSMOS/DesignSTAR para SolidEdge
Versión: Todas las Versiones
Categoría: Preprocesado, Análisis y Postprocesado
Ultima revisión: Diciembre-2001
El objetivo básico del Análisis por Elementos Finitos es conocer la distribución de temperaturas en el chasis bajo diferentes cargas y condiciones de contorno térmicas. Una vez construido el Modelo de Elementos Finitos, es posible aplicar diferentes valores de potencia (Watt), o diferentes coeficientes de convección "h" (W/m2ºC) en posiciones diferentes del modelo y rápidamente obtener el reparto de temperaturas (ºC) resultante. También se pueden modificar las propiedades del material o materiales del modelo. En base a los resultados del análisis, el diseñador tendrá información suficiente sobre la validez o no del diseño realizado, emprendiendo las modificaciones que sean necesarias. El ciclo de "Modificación de Geometría" => "Mallado y Análisis por Elementos Finitos" => "Verificación de Resultados" finaliza una vez se cumplan todas las condiciones impuestas al diseño.
Descripción
El análisis de Transmisión de Calor por Elementos Finitos se ha realizado con el programa COSMOS/DesignSTAR y la geometría del chasis se ha leído directamente desde el programa de CAD de modelo sólido Solid Edge (ambos programas son compatibles 100% a nivel binario ya que COSMOS/DesignSTAR tiene "kernel" Parasolid, igual que Solid Edge).
Detalle del Chasis sobre
cuya geometría se han aplicado
las correspondientes cargas y condiciones de contorno térmicas
El modelo se ha mallado con elementos sólidos TETRA10 de alto orden (tetraedros de 10 nodos) con un grado de libertad por nodo que es la temperatura. Se malla con dos elementos en el espesor (tamaño medio del elemento = 3 mm). Las siguientes figuras muestran el modelo completo y un detalle del mallado generado:
Chasis mallado con
elementos sólidos TETRA10 de alto orden,
resultando un total de 76.551 elementos y 138.580 nodos
Detalle del mallado en la
zona de los disipadores de calor
Propiedades del Material
El material utilizado es aleación de Aluminio 1060, un material isotrópico cuyas propiedades en el sistema de unidades MKS (kg,cm,sg,ºC) son las siguientes:
 | Módulo de Elasticidad, EX = 0.70E+06 Kgf/cm2 |
| Módulo de Poisson, NUXY = 0.33 |
| Módulo de Cortadura, GXY = 0.27E+06 Kgf/cm2 |
| Coef. de Expansión Térmica, ALPX = 0.24E-04 /ºCentigrade |
| Densidad, DENS = 0.28E-05 Kgf•s2/cm4 |
| Conductividad, KX = 0.49 Cal/cm/s/ºC |
| Calor Específico, C (Cp) = 0.21E+06 Cal*cm/kgf•s2•ºC |
| Tensión Ultima, SIGXT = 7380.97 Kgf/cm2 |
| Límite Elástico, SIGYLD = 6326.55 Kgf/cm2 |
Información sobre Cargas y Condiciones de Contorno
Las cargas y condiciones de contorno térmicas aplicadas son las siguientes:
| HEAT FLUX = 600 Wat / 87.5 cm2 = 1.65 Cal/seg.cm2 |
| Temperatura ambiente = 50ºC |
| Temperatura superficie estimada = 200 ºC |
| Temperatura media = 200-50/2 = 75ºC |
| Coef. Convección H = 0.595e-4 x (75)^1/4 = 1.75e-4 Cal/seg.cm2.ºC |
Ejecución del Análisis
| Quality: | High |
| Number of Elements: | 76551 |
| Number of Nodes: | 138580 |
Tanto el mallado como el análisis se han realizado por completo en un ordenador portátil TOSHIBA 320CDT con procesador Pentium MMX a 233 MHz y 92 MB RAM. La información sobre tamaño del modelo resultante (nodos, elementos y grados de libertad "dof"), el tiempo de análisis así como la cantidad de memoria RAM y espacio temporal requerido en disco por el Fast Solver FFE/Thermal de COSMOS/DesignSTAR para la resolución del problema es la siguiente:
------------------------------------------------------------------------------ Cosmos/FFE Thermal Solver 2.0, May 1998 31-May-99 ------------------------------------------------------------------------------
Steady state thermal analysis - Second order TETRA10 elements
Number of elements = 76551
Number of corner nodes = 21954
Number of degrees of freedom = 138580
Physical memory available = 86630 KB
Minimum/Maximum Temperatures (ºKelvin)
Node: 12083 Node: 3255 Min.: 361.44 Max.: 363.00
=================================
S O L U T I O N T I M E L O G
=================================
Loading data base = 76 sec
Assemblage of matrices = 64 sec
Solution of equations = 78 sec
Saving results = 56 sec
T O T A L S O L U T I O N T I M E = 276 sec (4.6 min.)
Disk space used = 25249 KB (24.6 MB)
Resultados Térmicos
Resultados de temperaturas
en el Chasis
Distribución de
Temperaturas en una sección transversal
Mapa de Temperaturas en la
parte inferior del Chasis
Conclusiones
La validez de los resultados de distribución de temperaturas aquí obtenidos dependen fundamentalmente de que las condiciones de contorno impuestas sean las que realmente existen en la realidad. Los más complicado de obtener correctamente es el valor del Coeficiente de Convección (o coef. de película), que en general se obtiene de forma experimental por medición en laboratorio.
La teoría matemática de la convección de calor es muy complicada y no existe en este caso ninguna ecuación sencilla, como la hay para la conducción. Ello es debido al hecho de que el calor ganado o perdido por una superficie a cierta temperatura, en contacto con un fluido a otra temperatura distinta, depende de muchas circustancias, a saber:
- de que la superficie sea plana o curva,
- de que sea horizontal o vertical,
- de que el fluido en contacto con la superficie sea un líquido o un gas
- de la densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica del fluido
- de que la velocidad del fluido sea lo suficientemente pequeña para producir un régimen laminar o lo bastante grande para originar un régimen turbulento
- de si tiene lugar evaporación, condensación o formación de películas
En los últimos años se ha hecho gran cantidad de investigación en este campo, de modo que actualmente se dispone de tablas y gráficas bastante completas, de las cuales el físico o el ingeniero puede obtener el coeficiente de convección adecuado para ciertos tipos de normalizados de aparatos. En nuestro caso se ha tomado un valor constante h = 7 w/m2ºC que puede considerarse razonable para un aparato rodeado de aire en calma.
Asímismo se ha supuesto que el aparato intercambia calor con el exterior por convección sólo a través de las aletas de refrigeración, el resto de paredes se comportan de forma adiabática.
