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OptFuture | 高精度稳态热计算

26天前浏览373
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前言   

国际标准EN ISO10211:2017提供了两个三维建筑模型用于验证稳态热传导过程的数值模拟精度,本文以该标准作为参照,对OptFuture软件中的稳态热模块的计算精度进行评估


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算例一   

算例一研究热桥中的热传导,热桥的存在导致系统整体热阻降低。所谓“热桥”是指处在建筑物外墙和屋面等围护结构中的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位,因这些部位传热能力强,热流较密集,故称为热桥。如下图所示,整个模型由铁棒和隔热层两部分组成组成,铁棒嵌入隔热层中,这里铁棒为热桥,靠近铁棒较长段的一侧为热表面,另一侧为冷表面。求解模型之后,计算得到冷表面上的最高温度,并将结果与对标值进行比较。

图 1:嵌入隔热层的铁棒背面(左)图和正面(右)图

正方形隔热层的热导率较低,为 0.1 W/(m·K),铁棒的热导率为 50 W/(m·K),其边界主要位于热环境中。冷表面和热表面均受到对流传热,冷热表面对流热换热条件如表1所示。
表1 冷热表面对流热通量

铁棒与隔热层相交部分的尺寸相对较小,但温度梯度很大,因此计算过程中细化该区域网格使结果更准确,图2为OptFuture稳态热求解的温度场,从云图可知OptFuture很好的捕捉了热桥的温度梯度。分析冷表面上的温度场可知,由于热桥的存在,冷表面上的最高温度高于环境温度。因此在工程实际中需要制冷的场景(例如冷库、冷链运输车等等)中,热桥(例如安装于冷库墙壁上的金属门把手)的存在将导致制冷过程需要消耗更多的能量。
图2 算例一温度场
表格2比较了 OptFuture的数值结果与 EN ISO 10211:2017 提供的对标值,标准里规定,温度的计算误差不能超过0.1℃,因此OptFuture能够较好地满足标准规定的温度计算精度要求
表2 OptFuture计算值与对标值比较(单位:℃)



3    
算例二   

算例二研究与外部环境隔开的两层建筑结构中的热传导,如下图所示,其结构由内墙、外墙、隔热层、水平结构和地板组成,需验证的值是一层内表面和二层内表面的最低温度。

图 3 算例二几何结构

一层内表面、二层内表面和外表面对流换热如表3所示。

表3 对流换热边界条件
材料属性如表4所示。
表4 材料热导率数据(单位:W/(m·K))
图4为OptFuture稳态热求解算例二的温度场,从云图可知,一层和二层内表面最低温度均位于墙角位置。表5将OptFuture的数值结果与 ISO 10211:2017 提供的对标值进行了比较,可以看出,相对偏差同样很小
图4 OptFuture稳态热求解所得温度场
表5 OptFuture计算值与对标值比较(单位:℃)



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结论  

以EN ISO 10211:2017所提供的稳态热算例为参照,使用OptFuture计算了两个三维稳态热算例并根据对标值对计算值进行评估。OptFuture稳态热计算结果显示,计算值与对标值的差异分别为0.06℃、0.03℃和0.18℃,相对误差均小于2%,表明OptFuture软件能够高精度地完成稳态热工况的分析

参考资料:

1. European Committee for Standardization, EN ISO 10211, Thermal bridges in building  construction – Heat flows and surface temperatures – Detailed calculations (ISO  10211:2017), Appendix A, pp. 54–60, 2017.



   
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来源:OptFuture优解未来
建筑材料
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首次发布时间:2024-10-26
最近编辑:26天前
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OptFuture拓扑优化制造约束(二)

前言上一期为大家介绍了OptFuture拓扑优化制造约束中的平面对称约束、线性阵列约束和悬垂角约束。本期为大家介绍OptFuture拓扑优化制造约束中的圆周阵列约束、拔模约束和尺寸约束及相关算例。案例描述如图1,案例几何为一制动卡盘,作用是传递驱动扭矩和制动扭矩。在静力分析中,卡盘内圈固定,外圈六爪结构的侧面使用远程力矩与几何中心一点连接并施加大小为5000N·m力矩。卡盘使用结构钢材料,杨氏模量为200GPa,泊松比0.3。图1制动卡盘在拓扑优化分析中,设计域为卡盘中橘黄色区域,非设计域为灰色区域,如图1。设计目标为刚度最大,设计约束为体分比上限50%。未使用制造约束优化构型如图2所示。图2未使用制造约束优化构型【A】圆周阵列约束圆周阵列约束常用在设计域具有轴对称性的几何体中,使得所设计的结构呈现出绕中心轴圆周阵列的周期性构型。在OptFuture中,圆周阵列约束需要设置参考坐标系、中心轴和阵列数量。在此算例中,中心轴选择位于几何中的全局坐标系Z轴,阵列数量为6,圆周阵列约束参数设置如图3所示,拓扑优化结果如图4所示。图3圆周阵列约束参数设置图4圆周阵列约束优化构型【B】拔模约束拔模约束主要应用于使用铸造工艺生产的零部件,这些零件的外形往往需要特殊考虑。考虑到铸造工艺的拔模,或者机加工过程中刀具的进出,在某些方向上需要避免材料的阻挡,方能确保设计模型在模具分离时顺利脱模。在OptFuture中,拔模约束需要设置坐标系及拔模方向,并支持双向拔模。在此算例中,拔模约束设置中选择全局坐标系,双向拔模(方向为Z轴),为使优化构型更具加工性和美观性,同时添加圆周阵列约束,设置如图5。拓扑优化结果如图6所示,从图中可见,构型【C】在构型【B】基础上,模具可延Z轴方向进行双向脱模。图5拔模约束参数设置图6拔模约束优化构型【C】尺寸约束尺寸约束是指控制拓扑优化后结构的尺寸大小,可控制优化构型的尺寸下限和尺寸上限。尺寸下限可以消除优化结果中细小的传力路径,保证结构最小尺度大于尺寸下限,从而得到比较均匀的材料分布,便于铸造过程的材料流动,或提供足够刚度便于刀具加工。尺寸上限可以消除优化结果中的材料堆积,避免制造过程引起的产品缺陷(如在铸造过程中散热不均匀),并能提供多个传力路径,以提高产品可靠性。本节使用的几何为如图7所示的圆管,内径r=15mm,外径R=20mm,高度80mm。材料杨氏模量为196GPa,泊松比0.3。力学工况如图7所示,圆管底面固定,上端面施加500N力载荷,方向为Z轴负方向。图7拓扑优化分析中设计域为整个几何体,非设计域为所有边界条件,设计目标为刚度最大,设计约束为体分比上限20%。未使用制造约束优化构型如图8所示。从图中可以看出,未使用尺寸约束时,最终优化设计方案中会出现一些细小的特征,这些特征往往不便于加工。图8未使用制造约束优化构型【D】在OptFuture中,尺寸约束需要设置尺寸下限或尺寸上限。在此算例中网格尺寸设置3mm,如图9。拓扑优化中尺寸约束下限为0.75mm,尺寸上限不约束,尺寸约束设置如图10。拓扑优化结果如图11所示,测量优化构型最小尺寸约为0.776mm(大于0.75mm)。图9几何3mm网格示意图10尺寸约束参数设置图11尺寸约束优化构型【E】设置尺寸上限为10mm,不设置尺寸下限,优化构型如图12所示,设计域内局部构型尺寸均未超过10mm。图12尺寸约束优化构型【F】小节OptFuture拓扑优化模块中的制造约束便于用户在设计阶段即对加工工艺进行充分考虑,减少了优化设计方案在工艺阶段的二次调整。目前软件支持同时考虑多种制造约束组合,支持同时考虑力学、热学等多学科拓扑优化,感兴趣的读者朋友可以直接进入我们的官网注册账号进行软件试用。往期文章内所提到的模型参数以及OptFuture模型,可以通过我们的官方公众号(见文末二维码)或者客服微信群索取。来源:OptFuture优解未来

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