Simulation der Jouleschen Erwärmung Multiphysik konstruktionsbegleitend bewerten

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Multiphysik gilt oft als komplex – dabei lassen sich viele Fragen bereits mit einfachen Ansätzen beantworten. Am Beispiel der Jouleschen Erwärmung zeigt dieser Artikel, wie Konstrukteure über Simulationen schnell Orientierung gewinnen und ihre Erkenntnisse zu einer voll gekoppelten Multiphysik Analyse erweitern können. 

Immer dann, wenn elektrische, thermische oder mechanische Effekte gleichzeitig auftreten und sich gegenseitig beeinflussen, haben wir es mit Multiphysik zu tun. Solche Wechselwirkungen sind in vielen technischen Anwendungen eher die Regel als die Ausnahme, weshalb sich ihre Effekte nicht getrennt voneinander betrachten lassen. Bei der Konstruktion und Entwicklung müssen diese multiphysikalischen Zusammenhänge daher berücksichtigt werden. Auch wenn ihre Simulation zunächst sehr herausfordernd erscheint, ist diese Komplexität mit heutigen Methoden und Werkzeugen gut beherrschbar.

Multiphysik – großes Wort, große Hemmschwelle

Ein besonders anschauliches Beispiel ist die Joulesche Erwärmung. Fließt elektrischer Strom durch ein Bauteil, entstehen aufgrund des elektrischen Widerstands Verluste, die in Wärme umgesetzt werden. Dieses physikalische Grundprinzip gewinnt in aktuellen Entwicklungsprojekten spürbar an Bedeutung. In der fortschreitenden Elektrifizierung bei gleichzeitiger Miniaturisierung steigt die Relevanz der Jouleschen Erwärmung deutlich. Höhere Stromdichten treffen auf kleinere Querschnitte, kompaktere Baugruppen und begrenzte Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr.

Für Konstrukteure ergibt sich daraus eine sehr konkrete Fragestellung: Wie stark erwärmt sich ein strom-durchflossenes Bauteil tatsächlich – und ist diese Erwärmung noch beherrschbar? Bereits moderate Temperaturerhöhungen können Einfluss auf Materialkennwerte, Lebensdauer oder Sicherheitsreserven haben. Besonders kritisch sind dabei lokale Effekte, etwa an Engstellen, Übergängen oder elektrischen Kontakten, wo sich Stromdichten und Verlustleistungen konzentrieren können. Elektrische Steckersysteme, etwa in Ladeinfrastrukturen, sind hierfür ein typisches Beispiel: Sie unterliegen hohen elektrischen und damit thermischen Belastungen. Multiphysik ist also kein theoretisches Randthema, sondern eine unmittelbar konstruktionsrelevante Fragestellung.

Konstruktionsbegleitende Multiphysik zur schnellen Orientierung

Gerade in frühen Phasen der Entwicklung kommt es weniger auf die letzte Nachkommastelle als auf schnell zu ermittelnde, belastbare Tendenzen an. Das Programm Ansys Discovery verfolgt genau diesen Ansatz und positioniert sich bewusst als konstruktionsbegleitendes Simulationswerkzeug. Ein zentraler Unterschied zu klassischen solver-basierten Workflows liegt dabei in der zugrunde liegenden Rechenmethodik: Ansys Discovery nutzt die GPU, um physikalische Berechnungen hochparallel auszuführen. Dadurch stehen Ergebnisse nicht erst nach Minuten oder Stunden, sondern häufig bereits innerhalb weniger Sekunden zur Verfügung.

Diese kurze Antwortzeit verändert den Umgang mit Simulation grundlegend. Statt ein einzelnes, sorgfältig vorbereitetes Simulationsmodell zu rechnen, können Konstrukteure direkt mit dem CAD-Modell arbeiten und unterschiedliche Konstellationen ausprobieren: variierende Geometrien, alternative Materialannahmen oder geänderte elektrische Randbedingungen. Ziel ist dabei nicht die finale Auslegung, sondern das Erkennen von Zusammenhängen und Trends.

Im gezeigten Beispiel werden Materialdaten ausgewählt, eine Stromstärke vorgegeben und die resultierende Stromdichte sowie Verlustleistung berechnet. Daraus ergibt sich unmittelbar die Temperaturverteilung im Bauteil. Hotspots an Engstellen oder Übergängen lassen sich schnell identifizieren. Wird der Querschnitt geringfügig angepasst oder ein Kontaktbereich verändert, zeigt Discovery nahezu in Echtzeit, wie sich diese Änderungen auf die Temperatur auswirken. Auf diese Weise können Varianten frühzeitig vertieft oder konsequent verworfen werden.

Der große Mehrwert liegt dabei in der sehr frühen Orientierung im Konstruktionsprozess. Ansys Discovery ermöglicht es, ein Gefühl dafür zu entwickeln, welche Designrichtungen grundsätzlich funktionieren und wo physikalische Grenzen erreicht werden. Für viele Fragestellungen – etwa die Abschätzung, ob ein Bauteil thermisch kritisch wird oder nicht – ist diese Tiefe vollkommen ausreichend. Damit wird Simulation vom späten Prüfwerkzeug zum aktiven Bestandteil der Konstruktion.

Wenn sich Effekte gegenseitig beeinflussen

Während Ansys Discovery eine schnelle und intuitive Orientierung liefert, gibt es Konstellationen, bei denen die physikalischen Wechselwirkungen selbst zum dominierenden Effekt werden. Spätestens dann lohnt sich der Blick auf eine detaillierte Multiphysik Simulation mit einem Programm wie Ansys Mechanical. Der entscheidende Unterschied liegt hier in der Möglichkeit, mehrere physikalische Disziplinen einschließlich ihrer gegenseitigen Rückwirkungen zu koppeln.

Ein zentraler Aspekt ist dabei das temperaturabhängige Materialverhalten. Grundsätzlich verändert sich der elektrische Widerstand eines Leiters mit der Temperatur. Steigt die Temperatur lokal an, erhöht sich der Widerstand, was wiederum die Stromdichte und damit die Jouleschen Verluste beeinflusst. Gerade bei ausgeprägten Hotspots entsteht so eine Rückkopplung: höhere Temperaturen führen zu höheren Verlusten, die ihrerseits eine weitere Erwärmung verursachen. Eine bidirektionale Kopplung zwischen elektrischer und thermischer Domäne ist daher sinnvoll, um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu erhöhen.

Zusätzlich kommt häufig die Strukturmechanik ins Spiel. Temperaturerhöhungen führen zu thermischer Ausdehnung, die Verformungen im Bauteil oder an Kontaktstellen verursachen kann. Besonders relevant ist dies bei elektrischen Kontakten. Verringert sich der Kontaktdruck, sinkt der Kontaktleitwert, der elektrische Übergangswiderstand steigt und es entstehen höhere lokale Verluste. Umgekehrt führt ein erhöhter Kontaktdruck zu einem besseren elektrischen Kontakt, geringerem Widerstand und entsprechend niedrigeren Verlusten. Diese Zusammenhänge wirken wiederum auf die Temperaturverteilung zurück und beeinflussen erneut das mechanische Verhalten.

Über den konstruktionsbegleitenden Einstieg hinaus

Mit Ansys Mechanical lassen sich genau diese Effekte in einer dreidirektionalen Kopplung abbilden: elektrisch ↔ thermisch ↔ strukturell. Auf diese Weise kann gezielt untersucht werden, ob ein Hotspot rein geometrisch bedingt ist, durch Materialeffekte verstärkt wird oder aus mechanischen Veränderungen an Kontaktstellen resultiert.

Solche voll gekoppelten Multiphysik Simulationen gehen bewusst über den konstruktionsbegleitenden Einstieg hinaus und richten sich an Anwender, die tiefer in das physikalische Detail eintauchen möchten. (anm)

Der Autor, Dr.-Ing. Jörg Neumeyer beschäftigt sich als Berechnungsingenieur beim Simulationsspezialisten Cadfem Germany GmbH unter anderem mit multiphysikalischen Anwendungen. Darüber hinaus ist er Lehrbeauftragter an der TU Darmstadt für die Veranstaltung „Numerische Simulation elektrothermischer Prozesse“

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