熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析(ppt).ppt

ABAQUS專題教程 熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析 第一講 固體熱傳導(dǎo)介紹 概述介紹分析過(guò)程材料熱性質(zhì)ABAQUS Standard中的熱傳導(dǎo)單元庫(kù)邊界條件和載荷穩(wěn)態(tài)分析瞬態(tài)分析非線性分析 介紹 ABAQUS主要是用來(lái)進(jìn)行 應(yīng)力分析 的軟件 但ABAQUS也有一個(gè)重要的特性 就是可以求解規(guī)模大的 復(fù)雜的和多組件模型的熱傳導(dǎo)問(wèn)題 熱傳導(dǎo)求解能力是從求解熱應(yīng)力問(wèn)題中發(fā)展出來(lái)的 ABAQUS中的熱傳導(dǎo)特性 穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 瞬態(tài)響應(yīng) 包括自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng) 全套熱傳導(dǎo)邊界條件 材料屬性 和載荷 可以是溫度相關(guān) 熱 接觸 允許在 接觸表面 有熱流動(dòng) 可以方便的將溫度場(chǎng)導(dǎo)入熱應(yīng)力分析中 特性潛熱項(xiàng) 由相變產(chǎn)生 強(qiáng)制對(duì)流應(yīng)力 熱傳導(dǎo)耦合分析功能熱傳導(dǎo)殼單元 沿厚度方向溫度梯度 空腔輻射 加熱爐升溫 功能 介紹 介紹 ABAQUS不能做什么 ABAQUS不是專業(yè)熱傳導(dǎo)分析軟件無(wú)流體分析無(wú)自由對(duì)流無(wú)浮力驅(qū)使流動(dòng)對(duì)熱沖擊問(wèn)題無(wú)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分無(wú)逆?zhèn)鳠岱治?介紹 力平衡與能量守恒之間的類比 在應(yīng)力分析中 ABAQUS求解力平衡方程 Mu P I 在熱傳導(dǎo)分析中 ABAQUS求解 能率守恒 方程并確定溫度的分布 密度 比熱 溫度變化率 外部熱量 內(nèi)部熱量 介紹 熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量 溫度Temperature單位 熱能Heat energy單位J 熱率Heatrate power單位J torW 熱流量Heatflux Powerperunitarea單位J t L2 熱傳導(dǎo)率 k 衡量物質(zhì)中熱量流動(dòng)的能力單位J T L 熱流量正比于熱傳導(dǎo)率和溫度梯度 Ta Tb A L Q 介紹 比熱 衡量物質(zhì)儲(chǔ)存熱的能力單位 J M 時(shí)間增量 溫度增量 比熱 一維熱傳導(dǎo)公式 熱擴(kuò)散率 介紹 類比 Stress Heat 分析過(guò)程 在ABAQUS Standard中 熱傳導(dǎo)分析的執(zhí)行是通過(guò)將幾何體離散成擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元 并且使用 HEATTRANSFER過(guò)程選項(xiàng) HEATTRANSFER 瞬態(tài)分析 默認(rèn) HEATTRANSFER STEADYSTATE 穩(wěn)態(tài)分析 在ABAQUS Explicit中 沒(méi)有單純的熱傳導(dǎo)分析選項(xiàng) 然而可以進(jìn)行全耦合的熱 應(yīng)力分析 這個(gè)功能通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件 可以模擬純熱傳導(dǎo)工程 除空腔輻射和利用用戶子程序定義的不均勻熱載荷之外 其他在ABAQUS Standard中可以使用的熱屬性 都可以用在Explicit中 材料熱性質(zhì)定義 材料的熱性質(zhì)在inp中的 MATERIAL關(guān)鍵字定義 MATERIAL NAME MATERIAL 1 CONDUCTIVITY1 0 DENSITY1 0 SPECIFICHEAT1 0 熱傳導(dǎo)率 CONDUCTIVITY 可以定義各向同性 默認(rèn) 或各向異性 正交或完全 用TYPE參數(shù) CONDUCTIVITY TYPE ISO ORTHO ANISO 熱傳導(dǎo)率可以是溫度的函數(shù) 這樣就成了一個(gè)非線性問(wèn)題 熱傳導(dǎo)率也可以是任意數(shù)量預(yù)設(shè)的場(chǎng)變量的函數(shù) 預(yù)設(shè)場(chǎng)變量相關(guān)的材料性質(zhì)不會(huì)涉及非線性 ABAQUS使用簡(jiǎn)單的插值方法確定材料性質(zhì) 例如 CONDUCTIVITY DEPENDENCIES 163 0 20 16070 5 200 200 INITIALCONDITIOINS TYPE FIELD VAR 1NALL 160 STEP FIELD VARIABLE 1 AMPLITUDE TIMEVARNALL 180 ENDSTEP 材料熱性質(zhì)定義 溫度 場(chǎng)變量 設(shè)置包括的預(yù)設(shè)場(chǎng)變量數(shù)量 比熱 SPECIFICHEAT 比熱可以定義為隨溫度與場(chǎng)變量變化 大多數(shù)材料的比熱隨溫度平穩(wěn)變化 密度 DENSITY 密度可以定義為隨溫度與場(chǎng)變量變化 熱傳導(dǎo)單元定義 連續(xù)單元 ABAQUS中連續(xù)擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元庫(kù)包括 一階 線性 插值單元二階 拋物線 單元用于一維 二維 軸對(duì)稱和三維應(yīng)用 單元命名規(guī)則 DC3D20 擴(kuò)散diffusion 連續(xù)體continuum 節(jié)點(diǎn)數(shù) 幾何 3D單元 這些單元節(jié)點(diǎn)的基本變量 自由度 是溫度標(biāo)量qABAQUS中用自由度11表示溫度 節(jié)點(diǎn)溫度輸出變量為NT11 點(diǎn)單元熱容單元HEATCAP模擬在一點(diǎn)的集中熱容熱容可以是溫度或場(chǎng)變量的函數(shù)該單元可以在ABAQUS Explicit中使用 殼單元一階和二階插值用于軸對(duì)稱單元 DSAX1 DSAX2 和三維 DS3 DS4 DS6 DS8 應(yīng)用的殼單元包含有單元庫(kù)中 殼單元用于模擬承受熱載荷的薄壁結(jié)構(gòu)如 壓力容器 管道系統(tǒng)和金屬片元件等 熱傳導(dǎo)單元定義 殼單元表面下方的溫度自由度為11 輸出變量為NT11 在正表面的溫度自由度為10 n n為殼截面上使用截面點(diǎn)的數(shù)量 在單層 均質(zhì) 殼中 截面點(diǎn)在厚度上均勻分布 默認(rèn)為5個(gè)點(diǎn) 每層殼必須是奇數(shù)個(gè)截面點(diǎn) 這是由ABAQUS standard在厚度上使用分段拋物線型插值方法決定的 n NT11 NT12 NT13 單元在每個(gè)殼節(jié)點(diǎn)的厚度方向的多個(gè)點(diǎn)上提供了溫度自由度 這樣溫度不僅隨著殼的參考平面變化 也隨厚度方向變化 熱傳導(dǎo)單元定義 復(fù)合材料殼單元 多層復(fù)合材料熱殼可以被構(gòu)建每一層可以是不同厚度 不同主方向的不同材料組成 材料特性在 SHELLSECTION中定義 SHELLSECTION COMPOSITELAYER1的厚度 溫度自由度數(shù)量 截面點(diǎn)數(shù) 材料名 材料方向參考的orientation名稱LAYER2的厚度 溫度自由度數(shù)量 截面點(diǎn)數(shù) 材料名 材料方向參考的orientation名稱LAYER3的厚度 溫度自由度數(shù)量 截面點(diǎn)數(shù) 材料名 材料方向參考的orientation名稱 多層復(fù)合材料熱殼的默認(rèn)截面點(diǎn)數(shù)量為3所有層的單層截面點(diǎn)數(shù)量必須相等 邊界條件與載荷 邊界條件 應(yīng)力分析中 每個(gè)自由度都有一對(duì)共軛變量 位移 作用或反作用力默認(rèn)情況下位移是未知的 力是已知的 熱傳導(dǎo)分析中 這對(duì)共軛變量是溫度 熱率 單位時(shí)間的能量流 默認(rèn)情況下溫度是未知的 熱率是已知的 已知的熱率 0 相當(dāng)于絕熱邊界條件 沒(méi)有外部的能量流進(jìn)或流出節(jié)點(diǎn) ABAQUS中的幾種熱邊界條件和熱載荷1 在某些節(jié)點(diǎn)上預(yù)設(shè)溫度 BOUNDARY 自由度112 在某些點(diǎn)上或者某些表面上或者體積內(nèi)預(yù)設(shè)熱率q CFLUX DFLUX DSFLUX3 在某些點(diǎn)上或者某些表面上的邊界層 薄膜 條件 CFILM FILM和 SFILM4 在某些點(diǎn)上或者某些表面上的輻射條件 CRADIATE RADIATE 和 SRADIATE5 自然邊界條件 默認(rèn) 邊界條件與載荷 1 預(yù)設(shè)的溫度 BOUNDARYTNODE 11 11 500 節(jié)點(diǎn)集 第一個(gè)自由度 溫度 最后個(gè)自由度 溫度值不變 變化的溫度 BOUNDARY AMPLITUDE amp 1TNODE 11 11 500 溫度幅值 溫度受幅值曲線amp 1控制 1 1 t 0 幅值曲線 變化的溫度 500 1 t 0 T 溫度的共軛反作用是熱率 熱能進(jìn)入一個(gè)已經(jīng)預(yù)設(shè)溫度值的節(jié)點(diǎn)的流通率 輸出變量 RFLn 邊界條件與載荷 2 預(yù)設(shè)的熱流量 熱率 節(jié)點(diǎn)的集中熱流量 與自由度11共軛 通過(guò)關(guān)鍵字 CFLUX施加 CFLUX AMP amp 1FNODE 11 30 熱率參考值 輸入可以參考一個(gè)AMPLITUDE曲線 使得輸入的熱率可以隨時(shí)間變化 輸出變量CFLn可以反映節(jié)點(diǎn) CFLUX的當(dāng)前值 分布熱流量 通過(guò)關(guān)鍵字 DFLUX或DSFLUX施加 DFLUX可以施加在面或體上 DSFLUX只能施加在面上 DFLUX AMP amp 1ELHOL S1 300 DSFLUX AMP amp 1SHOL S 300 邊界條件與載荷 3 邊界層 薄膜 條件 熱傳導(dǎo)中最常見(jiàn)的一種邊界條件是一個(gè)自由表面被緊臨的流體加熱或降溫 關(guān)鍵字 CFLIM FILM和 SFILM用于定義邊界層條件 邊界層系數(shù)h是ABAQUS的一個(gè)輸入?yún)?shù) 量綱 JL 2T 1q 1 邊界層系數(shù)的重要性 熱傳導(dǎo)的結(jié)果嚴(yán)重依賴這個(gè)參數(shù)典型的 h是流體雷諾數(shù)和流通溫度的函數(shù) 但也與表面狀況如粗糙度 臟污和方位強(qiáng)相關(guān) 因此很難去特征化 通常 需要用試驗(yàn)校準(zhǔn)的方式來(lái)確定h的取值 Film coefficienth q 流體 溫度q FILMPROPERTY NAME H111 6E 6 4014 2E 6 6019 3E 6 80 定義h h是溫度q的函數(shù) 邊界條件與載荷 3 邊界層 薄膜 條件 CFILM施加在節(jié)點(diǎn)上 CFILMNODESET 100 450 2 3E 3 FILM二維情況下施加在單邊上 三維情況下施加在單元面上 FILMELSET F3 450 2 3E 3 面積 溫度 h 溫度 h SFILM二維情況下施加在面上 FILMSURSET F 450 2 3E 3 溫度 h 邊界條件與載荷 4 向環(huán)境的輻射 熱傳導(dǎo)中的另一種邊界條件是黑體輻射 q A T4 Te4 CRADIATE施加在節(jié)點(diǎn)上 CRADIATENODESET 100 450 0 1 Emissivity 0 1 RADIATE施加在單元上 RADIATEELSET R1 450 0 1 SRADIATE施加在面上 CRADIATESURSET R 450 0 1 單元面編號(hào) 定義輻射邊界條件 需要定義Stefan Boltzmann常數(shù)和絕對(duì)零度 PHYSICALCONSTANTS ABSOLUTEZERO 273 16STEFANBOLTZMANN 5 6697E 8 邊界條件與載荷 4 向環(huán)境的輻射 輻射率emissivity是衡量一個(gè)表面有多接近理想黑體的指標(biāo) 一些常用材料的輻射率 Commercialaluminumsheet 0 09Heavilyoxidizedaluminumsheet 0 2Polishedgold 0 02Rustedironplate 0 6Polishedironplate 0 07Turned heatedcastiron 0 44Type301stainlesssteel 0 58Redbrick 0 93Blackshinylacqueroniron 0 88Whitevamish 0 09Water 0 95 邊界條件與載荷 4 向環(huán)境的輻射 是否需要考慮輻射邊界條件 Film Radiation Heatflux Surfacetemperature 0 200 100 Te Roomtemp 23oC h 10W m2 oC輻射率 1 溫度越高 輻射現(xiàn)象越強(qiáng) 邊界條件與載荷 5 自然邊界條件 在任何溫度下沒(méi)有給定熱流并沒(méi)有外部熱流的表面 默認(rèn)條件是通過(guò)表面q 0 即沒(méi)有通過(guò)表面的熱流 理想絕熱條件 這是自然 無(wú)熱載荷 邊界條件 用于諸如施加對(duì)稱邊界條件的時(shí)候 如 穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例 二維熱傳導(dǎo) x y 1 0 0 5 A B C D E 0 2 Conductivity 52W m oCFilmcoefficient 750W m2 oCBoundaryconditions 100oCCalongABHeatflux 0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective FindqatETargetsolution 18 3oCatE 穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例 定義熱傳導(dǎo)率 定義薄膜換熱系數(shù) 換熱條件 邊界條件 穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例 二維熱傳導(dǎo) 瞬態(tài)分析 有限元方法將問(wèn)題在空間中離散化 對(duì)于瞬態(tài)傳熱問(wèn)題 控制方程也必須通過(guò)時(shí)間積分進(jìn)行求解 在ABAQUS中對(duì)瞬態(tài)固體傳熱進(jìn)行時(shí)間積分的操作是利用后向差分算法 后向差分算法是 相當(dāng)?shù)木_無(wú)條件穩(wěn)定的 算法的穩(wěn)定性非常重要 因?yàn)樵S多瞬態(tài)傳熱問(wèn)題是在長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行分析的 典型的是要到達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過(guò)程在對(duì)一些對(duì)外界條件改變的響應(yīng)中 開(kāi)始時(shí)溫度隨時(shí)間的變化很快 然而到后期 可以看到溫度的緩慢變化 在ABAQUS傳熱分析中 自動(dòng)時(shí)間增量過(guò)程具有這種邏輯上內(nèi)建的期望響應(yīng)類型 指數(shù)衰減或增加 這種結(jié)合精確設(shè)置DELTMX的方案 允許ABAQUS Standard保持在所有分析階段的整個(gè)過(guò)程中具有一致的精確性 二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)例子 x y 1 0 0 5 A B C D E 0 2 Conductivity 52W m oCSpecificheat 434J kg oCDensity 7832kg m3Filmcoefficient 750W m2 oCBoundaryconditions 100oCCalongABHeatflux 0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective FindqatETargetsolution 18 3oCatEatsteadystate 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)分析 在穩(wěn)態(tài)算例基礎(chǔ)上 增加密度和比熱參數(shù) 瞬態(tài)傳熱分析步設(shè)定 DELTMAX 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)分析 DELTMAX是一個(gè)時(shí)間積分精度參數(shù)在利用時(shí)間積分計(jì)算瞬態(tài)傳熱方程通過(guò)控制餓過(guò)程中 溫度在每個(gè)時(shí)間最大允許的溫度變化值 來(lái)控制求解的精度 配合使用自動(dòng)時(shí)間增量方法 可以嚴(yán)格的控制時(shí)間增量步的大小 來(lái)滿足DELTMAX的設(shè)定 如果計(jì)算過(guò)程中都能夠滿足DELTMAX ABAQUS Standard會(huì)嘗試盡量增大時(shí)間增量步 自動(dòng)時(shí)間增量步算法會(huì)嘗試選擇最優(yōu)化的增量步時(shí)間 來(lái)兼顧計(jì)算精度和效率 瞬態(tài)傳熱分析可以通過(guò)設(shè)定當(dāng)溫度變化小于設(shè)定值時(shí)停止計(jì)算 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)傳熱分析中的Initialconditions可以再瞬態(tài)傳熱分析之前 設(shè)定一個(gè)初始的溫度分布如果沒(méi)有給定初始值 abaqus的默認(rèn)初始溫度為0 瞬態(tài)分析 最小可用時(shí)間增量步設(shè)置 僅ABAQUS Standard適用 在對(duì)瞬態(tài)擴(kuò)散過(guò)程的近似離散中 非常重要的一個(gè)問(wèn)題是初始時(shí)間增量的選擇 空間單元的大小和時(shí)間增量步之間的關(guān)系是 如果一個(gè)時(shí)間增量步太小 將會(huì)產(chǎn)生很多無(wú)用信息 并且事實(shí)上還好經(jīng)常出現(xiàn)一些虛假的震蕩的結(jié)果 當(dāng)使用二階單元時(shí) 震蕩會(huì)比較顯著 最小時(shí)間增量準(zhǔn)則 Dt 時(shí)間增量r 密度c 比熱k 熱傳導(dǎo)率Dl 在最大溫度梯度區(qū)域靠近表面的單元尺度 非線性分析 一個(gè)典型的傳熱分析會(huì)包含以下的一些非線性 材料非線性 1 熱傳導(dǎo)率是溫度的函數(shù)2 比熱是溫度的函數(shù)3 潛熱效應(yīng) 一種很強(qiáng)的非線性邊界條件非線性 1 具有輻射邊界條件 有時(shí)也是一種很強(qiáng)的非線性2 換熱系數(shù)是溫度的函數(shù)3 任何熱流邊界條件中 熱流是溫度的函數(shù) ABAQUS Standard使用牛 拉迭代法 求解非線性問(wèn)題的方程 熱 接觸 熱量通過(guò)接觸界面?zhèn)鲗?dǎo)通過(guò)這些薄的界面進(jìn)行傳熱是熱分析的一個(gè)重要方面這些界面通常居于較低的導(dǎo)熱率因此 在它們之間允許較大的溫度差異然而 薄的界面具有可以忽略的 熱質(zhì)量 因此可以忽略界面內(nèi)部的熱能 假設(shè)它具有零比熱 熱 接觸 熱界面的例子 流體速度曲線 流體邊界層 芯片核心 載板 表面1 表面2 在ABAQUS中 這種效應(yīng)被模型化為 機(jī)遇面之間的相互關(guān)系 這些面 三維或二維 通常是物理上很相近 但兩邊具有不同的溫度 這些面可以再不同物體上 也可以在同一物體上 熱 接觸 熱量可以通過(guò)以下方式穿過(guò)界面1 熱傳導(dǎo) 定義間隙熱傳導(dǎo)系數(shù) GAPCONDUCTANCE2 熱輻射 定義間隙熱輻射率 GAPRADIATION 通常以上兩種傳熱模式都存在 它們的相對(duì)重要關(guān)系取決于表面溫度和界面間的媒介 1 界面間存在一定物質(zhì) 熱傳導(dǎo)相對(duì)重要一些 因?yàn)闊彷椛洳恍枰虚g媒介 中間媒介的存在反而會(huì)吸收掉輻射熱能 熱 接觸 如何定義 1 定義表面 2 定義定義接觸對(duì) 與機(jī)械接觸相同 只是定義接觸關(guān)系屬性時(shí)需要用熱的條件