In der heutigen schnelllebigen und technologiegetriebenen Welt ist die Bedeutung präziser und effizienter Simulationsprozesse in der Ingenieurwissenschaft nicht zu unterschätzen. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein solches leistungsstarkes Werkzeug, das Ingenieuren und Wissenschaftlern tiefgreifende Einblicke in komplexe physikalische Phänomene bietet. FEM-Berechnungen können eingesetzt werden, um unter anderem detaillierte Temperaturverteilungsanalysen durchzuführen, die für eine Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind. Dieser Beitrag hebt die Anwendung der FEM-Berechnungen zur Analyse stationärer und transienter Temperaturverteilungen, das Kriechverhalten von Stahl und die Entstehung von Zwangsspannungen hervor.
Grundlagen der Wärmeübertragung
Die Wärmeübertragung spielt eine fundamentale Rolle bei der Analyse von Temperaturverteilungen und ist ein Kernaspekt der FEM-Berechnungen in der thermischen Simulation. Sie umfasst drei Hauptmechanismen: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung beschreibt die Übertragung von Wärmeenergie innerhalb eines Körpers oder zwischen benachbarten Körpern durch direkten molekularen Kontakt, wobei die Wärme von Bereichen höherer Temperatur zu Bereichen niedrigerer Temperatur fließt. Konvektion hingegen bezieht sich auf die Wärmeübertragung zwischen einer festen Oberfläche und einer bewegten Flüssigkeit oder Gas, die durch die Bewegung des Fluids beeinflusst wird. Strahlung ist die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen und kann auch durch Vakuum erfolgen, wie die Wärme der Sonne, die die Erde erreicht.
Stationäre vs. Transiente Temperaturverteilungen
Die Analyse der Temperaturverteilung ist ein kritischer Aspekt in vielen Bereichen der Materialwissenschaft und des Ingenieurwesens. Stationäre Temperaturverteilungen beziehen sich auf einen Zustand, in dem die Temperatur im Laufe der Zeit konstant bleibt, was typisch für Systeme im thermischen Gleichgewicht ist. Im Gegensatz dazu beschreiben transiente Temperaturverteilungen die zeitabhängigen Temperaturänderungen in einem System, die durch äußere Einflüsse wie Umgebungstemperaturänderungen oder interne Wärmeerzeugung verursacht werden. Transiente Temperaturverteilungen spielen unter anderem bei Aufheizvorgängen, Kühlungssystemen und in der Prozess- und Verfahrenstechnik eine große Rolle.
Kriechverhalten von Stahl
Stahl ist ein wesentlicher Baustoff in vielen Industriebereichen, doch unter hohen Temperaturen und langanhaltenden Lasten kann Stahl einem Prozess unterliegen, der als Kriechen bekannt ist. Kriechen beschreibt die zeitabhängige Verformung von Materialien unter konstanter Belastung, die besonders bei hohen Temperaturen signifikant wird. Die FEM-Berechnungen sind ein unverzichtbares Werkzeug, um das Kriechverhalten von Stahl zu verstehen und vorherzusagen. Durch die Simulation verschiedener Betriebsbedingungen können die Langzeitstabilität und -sicherheit von Stahlkonstruktionen bewertet und optimiert werden, was für die Integrität und Langlebigkeit von Ingenieursprojekten von entscheidender Bedeutung ist. Besonders wenn mittels einer FEM-Berechnung gezeigt werden kann, dass sich auch Stähle von einer minderen Qualität im Vergleich zu warmfesten Stählen eignen, können so die Kosten für diverse Konstruktionen und Anlagen bedeutend reduziert werden.
Beschränkte Wärmeausdehnung
Zwangsspannungen entstehen, wenn sich Teile einer Struktur aufgrund von thermischen Ausdehnungsunterschieden nicht frei ausdehnen oder zusammenziehen können. Diese Spannungen können zu Materialermüdung, Rissen und letztendlich zum Versagen der Struktur führen. Die FEM-Berechnungen ermöglichen es uns, die Entstehung und Verteilung von Zwangsspannungen in Materialien und Strukturen präzise zu simulieren. Durch die Identifizierung von kritischen Bereichen, in denen Zwangsspannungen auftreten können, können wir gezielte Maßnahmen zur Spannungsreduzierung entwickeln, die die Leistung und Sicherheit von Bauteilen erheblich verbessern.
Temperaturverteilungsanalysen – Simulation von Temperaturverteilungen
Mithilfe der FEM-Berechnungen können Temperaturverteilungen mit hoher Präzision simulieren. Für diese verwenden wir die Software ANSYS, welche umfassende Modellierungswerkzeuge beinhaltet und es uns ermöglicht kritische Informationen über das thermische Verhalten von Materialien und Komponenten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewinnen. Solche Analysen sind unerlässlich, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Produkten unserer Kunden zu gewährleisten und zu verbessern.
