abaqus熱傳導(dǎo)、應(yīng)力分析

1、ABAQUS 專(zhuān)題教程專(zhuān)題教程熱傳導(dǎo)、應(yīng)力分析熱傳導(dǎo)、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)

2、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)功能介紹介紹介紹介紹ABAQUS 不能做什么ABAQUS 不是專(zhuān)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)鳠岱治鼋榻B介紹力平衡與能量守恒之間的類(lèi)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。qIQc密度 比熱 溫度變化率外部熱量?jī)?nèi)部熱量介紹介紹熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量- 溫度 Temperature 單位 - 熱能 Heat ener

3、gy 單位 J- 熱率 Heat rate power 單位 J/t or W- 熱流量 Heat flux = Power per unit area 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:xTkqTaTbALQLTTkAqAQab介紹介紹- 比熱 ，衡量物質(zhì)儲(chǔ)存熱的能力 單位： J/M/VctQ時(shí)間增量溫度增量比熱- 一維熱傳導(dǎo)公式22xktc221xtck熱擴(kuò)散率介紹介紹- 類(lèi)比StressHeatuqVTdVIVTqdVIVTdVDVTdVKDK分析過(guò)程分析過(guò)程在 ABAQUS/Standard 中，熱傳導(dǎo)

4、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 *HEAT TRANSFER 過(guò)程選項(xiàng)*HEAT TRANSFER 瞬態(tài)分析(默認(rèn))*HEAT TRANSFER, STEADY STATE 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(hù)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)定義材料熱性質(zhì)定義材料的熱性質(zhì)在inp 中的 *MATERIAL 關(guān)鍵字定義*MATE

5、RIAL,NAME=MATERIAL-1*CONDUCTIVITY1.0*DENSITY1.0*SPECIFIC HEAT1.0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=163.0,20,16070.5,200,20

6、0*INITIAL CONDITIOINS,TYPE=FIELD,VAR=1NALL,160*STEP*FIELD,VARIABLE=1,AMPLITUDE=TIMEVARNALL,180*END STEP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：*SPECIFIC HEAT, -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(chēng)和三維應(yīng)用單元命名規(guī)則: DC3D20擴(kuò)

7、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 ABAQUS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(chēng)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）

8、- 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。nNT11NT12NT13- 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)單元定義熱傳導(dǎo)單元定義復(fù)合材料殼單元材料1材料1材料1材料1t1t2t3t4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 *SHELL SECTION 中定義:*SHELL SEC

9、TION,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(chēng)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(chēng)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(chēng)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

10、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))邊界條件與載荷邊界條件與載荷1. 預(yù)設(shè)的溫度

11、*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11t0幅值曲線變化的溫度5001t0T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

12、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q*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

13、: JL-2T-1-1- 邊界層系數(shù)的重要性:熱傳導(dǎo)的結(jié)果嚴(yán)重依賴(lài)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, coefficient hq流體，溫度*FILM PROPERTY, NAME = H111.6E-6, 4014.2E-6, 6019.3E-6, 80定義 hh是溫度的函數(shù)邊界條件與載荷邊界條件與載荷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

14、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， 0.1Emissivity（01）*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

15、輻射邊界條件，需要定義Stefan-Boltzmann常數(shù)和絕對(duì)零度 *PHYSICAL CONSTANTS, ABSOLUTEZERO = -273.16STEFAN BOLTZMANN = 5.6697E-8邊界條件與載荷邊界條件與載荷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：Commercial aluminum sheet: 0.09Heavily oxidized aluminum sheet: 0.2Polished gold: 0.02Rusted iron plate: 0.6Polished iron plate

16、: 0.07Turned, heated cast iron: 0.44Type 301 stainless steel: 0.58Red brick: 0.93Black shiny lacquer on iron: 0.88White vamish: 0.09Water: 0.95 邊界條件與載荷邊界條件與載荷4. 向環(huán)境的輻射是否需要考慮輻射邊界條件FilmRadiationHeat fluxSurface temperature 0200100Te = Room temp (23oC)h = 10W/m2/oC輻射率=1溫度越高，輻射現(xiàn)象越強(qiáng)邊界條件與載荷邊界條件與載荷5. 自然邊界條

17、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(chēng)邊界條件的時(shí)候，如外部熱源溫度 800oC內(nèi)部熱源溫度 400oC穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity = 52W/m/oCFilm coefficient = 750W/m2/oCBoundary conditions:= 100oC C along ABHeat flux = 0 along DAConvection to ambient temperature of 0oC al

18、ong BC and CD Objective:Find q at ETarget solution: 18.3oC at E穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例穩(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)例穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)瞬態(tài)分析瞬態(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：tUUttttt)(U-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)分析-瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主

19、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(lèi)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xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity = 52W/m/oCSpecific heat = 434J/kg/oCDensity = 7832kg/m3Film coefficient = 750W/m2/oCBoundary condi

20、tions:= 100oC C along ABHeat flux = 0 along DAConvection to ambient temperature of 0oC along BC and CD Objective:Find at ETarget solution: 18.3oC at E at steady state.瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析瞬態(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

21、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(mǎn)足DELTMAX 的設(shè)定。-如果計(jì)算過(guò)程中都能夠滿(mǎn)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)分析-瞬態(tài)傳熱分析中的 Initial conditions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

22、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?？臻g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：26tlkct = 時(shí)間增量 = 密度c = 比熱k = 熱傳導(dǎo)率l = 在最大溫度梯度區(qū)域靠近表面的單元尺度非線性分析非線性分析-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

23、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：RKc 熱熱“接觸接觸”-熱量通過(guò)接觸界面?zhèn)鲗?dǎo)1. 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2. 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3. 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)它具有零比熱熱熱“接觸接觸”-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。熱熱“接觸接觸”-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) *GAP CONDUCTANCE2. 熱輻射， 定義間隙熱輻射率 *GAP RADIATION- 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。熱熱“接觸接觸”如何定義如何定義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*SURFACE INTERACTION,NA