ABAQUS熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析詳解課件

ABAQUS專題教程

——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析ABAQUS專題教程第一講：固體熱傳導(dǎo)介紹概述介紹分析過程材料熱性質(zhì)ABAQUS/Standard中的熱傳導(dǎo)單元庫邊界條件和載荷穩(wěn)態(tài)分析瞬態(tài)分析非線性分析第一講：固體熱傳導(dǎo)介紹概述介紹--ABAQUS主要是用來進(jìn)行‘應(yīng)力分析’的軟件--但ABAQUS也有一個重要的特性：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)問題。

——熱傳導(dǎo)求解能力是從求解熱應(yīng)力問題中發(fā)展出來的介紹--ABAQUS主要是用來進(jìn)行‘應(yīng)力分析’的軟件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)時間步長

--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

--可以方便的將溫度場導(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ABAQUS中的熱傳導(dǎo)特性介紹介紹ABAQUS不能做什么

——ABAQUS不是專業(yè)熱傳導(dǎo)分析軟件無流體分析無自由對流無浮力驅(qū)使流動對熱沖擊問題無自適應(yīng)網(wǎng)格劃分無逆?zhèn)鳠岱治鼋榻BABAQUS不能做什么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)部熱量介紹力平衡與能量守恒之間的類比密度比熱溫度變化率外部熱量內(nèi)部介紹熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量--溫度Temperature單位℃--熱能Heatenergy單位J--熱率Heatratepower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)中熱量流動的能力單位J/T/L/℃:

熱流量正比于熱傳導(dǎo)率和溫度梯度:TaTbALQ介紹熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量--溫度Temperatur介紹--比熱，衡量物質(zhì)儲存熱的能力單位：J/M/℃時間增量溫度增量比熱--一維熱傳導(dǎo)公式熱擴(kuò)散率介紹--比熱，衡量物質(zhì)儲存熱的能力單位：J/M/℃介紹--類比StressHeat介紹--類比StressHeat分析過程在ABAQUS/Standard中，熱傳導(dǎo)分析的執(zhí)行是通過將幾何體離散成擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元，并且使用*HEATTRANSFER過程選項(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。這個功能通過設(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。分析過程在ABAQUS/Standard中，熱傳導(dǎo)分析的材料熱性質(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)，這樣就成了一個非線性問題。--熱傳導(dǎo)率也可以是任意數(shù)量預(yù)設(shè)的場變量的函數(shù)--預(yù)設(shè)場變量相關(guān)的材料性質(zhì)不會涉及非線性，ABAQUS使用簡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)定義溫度場變量設(shè)置包括的預(yù)設(shè)場變量數(shù)量比熱：*SPECIFICHEAT,--比熱可以定義為隨溫度與場變量變化--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變量變化材料熱性質(zhì)定義材料的熱性質(zhì)在inp中的*MATERIAL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變量的函數(shù)該單元可以在ABAQUS/Explicit中使用熱傳導(dǎo)單元定義連續(xù)單元：ABAQUS中連續(xù)擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元庫殼單元一階和二階插值用于軸對稱單元(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個點(diǎn)--每層殼必須是奇數(shù)個截面點(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--單元在每個殼節(jié)點(diǎn)的厚度方向的多個點(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。殼單元熱傳導(dǎo)單元定義--殼單元表面下方的溫度自由度為11（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*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1t1t2邊界條件與載荷邊界條件應(yīng)力分析中，每個自由度都有一對共軛變量：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，這對共軛變量是溫度---熱率(單位時間的能量流)

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11 2.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,*DSFLUX 3.在某些點(diǎn)上或者某些表面上的邊界層（薄膜）條件 *CFILM,*FILM和*SFILM 4.在某些點(diǎn)上或者某些表面上的輻射條件 *CRADIATE,*RADIATE,和*SRADIATE 5.自然邊界條件(默認(rèn))邊界條件與載荷邊界條件應(yīng)力分析中，每個自由度都有一對共軛變量邊界條件與載荷1.預(yù)設(shè)的溫度*BOUNDARYTNODE，11，11，500節(jié)點(diǎn)集第一個自由度溫度最后個自由度溫度值不變: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1.預(yù)設(shè)的溫度*BOUNDARY節(jié)點(diǎn)集第一個邊界條件與載荷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AMPLITUDE曲線，使得輸入的熱率可以隨時間變化。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2.預(yù)設(shè)的熱流量（熱率）節(jié)點(diǎn)的集中熱流量(與邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件--熱傳導(dǎo)中最常見的一種邊界條件是一個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)的方式來確定h的取值。Film,coefficienthq流體，溫度q*FILMPROPERTY,NAME=H111.6E-6,4014.2E-6,6019.3E-6,80定義hh是溫度q的函數(shù)邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件--熱傳導(dǎo)中最常見的邊界條件與載荷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，F(xiàn)3.，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(xiàn).，450，2.3E-3溫度h邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件*CFILM施加在節(jié)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（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單元面編號定義輻射邊界條件，需要定義Stefan-Boltzmann常數(shù)和絕對零度

*PHYSICALCONSTANTS,ABSOLUTEZERO=-273.16STEFANBOLTZMANN=5.6697E-8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邊界條件與載荷4.向環(huán)境的輻射輻射率emissivity是衡量一個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)境的輻射輻射率emissivity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FilmRadiationHeatfluxSurfacetemperature0200100Te=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4.向環(huán)境的輻射是否需要考慮輻射邊界條件Fi邊界條件與載荷5.自然邊界條件在任何溫度下沒有給定熱流并沒有外部熱流的表面，默認(rèn)條件是通過表面q=0,即沒有通過表面的熱流：理想絕熱條件這是自然（無熱載荷）邊界條件，用于諸如施加對稱邊界條件的時候，如外部熱源溫度800oC內(nèi)部熱源溫度400oC邊界條件與載荷5.自然邊界條件在任何溫度下沒有給定熱流并沒穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCFilmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatE穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)xy1.00.5ABCDE0.2Con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)穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)瞬態(tài)分析--有限元方法將問題在空間中離散化，對于瞬態(tài)傳熱問題，控制方程也必須通過時間積分進(jìn)行求解--在ABAQUS中對瞬態(tài)固體傳熱進(jìn)行時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)傳熱問題是在長的時間周期內(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--有限元方法將問題在空間中離散化，對于瞬態(tài)傳熱問題瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過程在對一些對外界條件改變的響應(yīng)中，開始時溫度隨時間的變化很快，然而到后期，可以看到溫度的緩慢變化。--在ABAQUS傳熱分析中，自動時間增量過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過程中具有一致的精確性。瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過程二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)例子xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCSpecificheat=434J/kg/oCDensity=7832kg/m3Filmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatEatsteadystate.瞬態(tài)分析二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)例子xy1.00.5ABCDE0.2Condu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)瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析--DELTMAX是一個時間積分精度參數(shù)在利用時間積分計算瞬態(tài)傳熱方程通過控制餓過程中，溫度在每個時間最大允許的溫度變化值，來控制求解的精度。配合使用自動時間增量方法，可以嚴(yán)格的控制時間增量步的大小，來滿足DELTMAX的設(shè)定。--如果計算過程中都能夠滿足DELTMAX,ABAQUS/Standard會嘗試盡量增大時間增量步。自動時間增量步算法會嘗試選擇最優(yōu)化的增量步時間，來兼顧計算精度和效率--瞬態(tài)傳熱分析可以通過設(shè)定當(dāng)溫度變化小于設(shè)定值時停止計算瞬態(tài)分析--DELTMAX是一個時間積分精度參數(shù)--如果計瞬態(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)定一個初始的溫度分布如果沒有給定初始值，abaqus的默認(rèn)初始溫度為0瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱分析中的Initialconditi瞬態(tài)分析--最小可用時間增量步設(shè)置（僅ABAQUS/Standard適用）在對瞬態(tài)擴(kuò)散過程的近似離散中，非常重要的一個問題是初始時間增量的選擇?？臻g單元的大小和時間增量步之間的關(guān)系是：如果一個時間增量步太小，將會產(chǎn)生很多無用信息，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，震蕩會比較顯著最小時間增量準(zhǔn)則：Dt=時間增量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瞬態(tài)分析--最小可用時間增量步設(shè)置（僅ABAQUS/Stan非線性分析--一個典型的傳熱分析會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，求解非線性問題的方程：非線性分析--一個典型的傳熱分析會包含以下的一些非線性:--熱“接觸”--熱量通過接觸界面?zhèn)鲗?dǎo)通過這些薄的界面進(jìn)行傳熱是熱分析的一個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”--熱量通過接觸界面?zhèn)鲗?dǎo)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”--熱界面的例子流體速度曲線流體邊界層芯片核心載板熱“接觸”--熱量可以通過以下方式穿過界面 1.熱傳導(dǎo)，定義間隙熱傳導(dǎo)系數(shù)*GAPCONDUCTANCE 2.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)相對重要一些。因?yàn)闊彷椛洳恍枰?/p>

間媒介，中間媒介的存在反而會吸收掉輻射熱能。熱“接觸”如何定義1.定義表面2.定義定義接觸對與機(jī)械接觸相同。只是定義接觸關(guān)系屬性時需要用熱的條件*SURFACEINTERACTION,NAME=THERM11.0*GAPCONDUCTANCE20,020,1熱“接觸”--熱量可以通過以下方式穿過界面熱“接觸”如何定義熱應(yīng)力分析熱應(yīng)力分析熱應(yīng)力分析過程--ABAQUS提供三種熱應(yīng)力分析程序：順序耦合熱應(yīng)力分析，最常用的方法當(dāng)應(yīng)力是由熱量場存在造成的，并且熱求解過程與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，也就是說應(yīng)力依賴于熱產(chǎn)生，而熱并不依賴位移。需要跑兩個分析:先分析熱傳導(dǎo)，再將溫度結(jié)果導(dǎo)熱應(yīng)力分析熱分析的結(jié)果，如溫度(位置，時間的函數(shù))被讀入應(yīng)力分析，作為一個預(yù)定義場。完全耦合熱應(yīng)力分析，最常用的方法應(yīng)力依賴于溫度場并且溫度也依賴于應(yīng)力場。只需要跑一個析。絕熱分析這個分析的目的是模擬機(jī)械的變形產(chǎn)生局部的熱量，但是時間很短，熱傳導(dǎo)不明顯所有的溫度增加是在材料局部發(fā)生的，并且只影響局部材料點(diǎn)的機(jī)械屬性。熱應(yīng)力分析過程--ABAQUS提供三種熱應(yīng)力分析程序：順序耦合熱應(yīng)力分析--在熱傳導(dǎo)分析中，溫度是未知量求解溫度場--在應(yīng)力分析中，位移是未知量節(jié)點(diǎn)的溫度作為已知的外部載荷來產(chǎn)生熱應(yīng)變:--對于靜力學(xué)分析計算應(yīng)變:

應(yīng)力求解:這樣，熱場通過以下方式影響機(jī)械場:

熱膨脹(收縮)

與溫度相關(guān)的機(jī)械屬性順序耦合熱應(yīng)力分析--在熱傳導(dǎo)分析中，溫度是未知量求順序耦合熱應(yīng)力分析--熱膨脹一個未約束體在溫度增加的情況下，通常會產(chǎn)生體積膨脹，這種應(yīng)變與溫度之間的特征因子成為:熱膨脹系數(shù)(CoefficientofThermalexpansion,CTE)CTE可以定義為與溫度相關(guān)的，也可以是各向同性或各項(xiàng)異性使用*EXPANSION定義CTE*EXPANSION,TYPE=ISO,ZERO=201.0E-6,100,11.5E-6,200,12.0E-6,100,22.5E-6,200,2計算公式:q0:參考溫度，qI,初始溫度CTE會隨溫度的增加而緩慢增加順序耦合熱應(yīng)力分析--熱膨脹*EXPANSION,TYPE順序耦合熱應(yīng)力分析--熱膨脹算例順序耦合熱應(yīng)力分析--熱膨脹算例ABAQUS專題教程

——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析ABAQUS專題教程第一講：固體熱傳導(dǎo)介紹概述介紹分析過程材料熱性質(zhì)ABAQUS/Standard中的熱傳導(dǎo)單元庫邊界條件和載荷穩(wěn)態(tài)分析瞬態(tài)分析非線性分析第一講：固體熱傳導(dǎo)介紹概述介紹--ABAQUS主要是用來進(jìn)行‘應(yīng)力分析’的軟件--但ABAQUS也有一個重要的特性：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)問題。

——熱傳導(dǎo)求解能力是從求解熱應(yīng)力問題中發(fā)展出來的介紹--ABAQUS主要是用來進(jìn)行‘應(yīng)力分析’的軟件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)時間步長

--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

--可以方便的將溫度場導(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ABAQUS中的熱傳導(dǎo)特性介紹介紹ABAQUS不能做什么

——ABAQUS不是專業(yè)熱傳導(dǎo)分析軟件無流體分析無自由對流無浮力驅(qū)使流動對熱沖擊問題無自適應(yīng)網(wǎng)格劃分無逆?zhèn)鳠岱治鼋榻BABAQUS不能做什么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)部熱量介紹力平衡與能量守恒之間的類比密度比熱溫度變化率外部熱量內(nèi)部介紹熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量--溫度Temperature單位℃--熱能Heatenergy單位J--熱率Heatratepower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)中熱量流動的能力單位J/T/L/℃:

熱流量正比于熱傳導(dǎo)率和溫度梯度:TaTbALQ介紹熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量--溫度Temperatur介紹--比熱，衡量物質(zhì)儲存熱的能力單位：J/M/℃時間增量溫度增量比熱--一維熱傳導(dǎo)公式熱擴(kuò)散率介紹--比熱，衡量物質(zhì)儲存熱的能力單位：J/M/℃介紹--類比StressHeat介紹--類比StressHeat分析過程在ABAQUS/Standard中，熱傳導(dǎo)分析的執(zhí)行是通過將幾何體離散成擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元，并且使用*HEATTRANSFER過程選項(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。這個功能通過設(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。分析過程在ABAQUS/Standard中，熱傳導(dǎo)分析的材料熱性質(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)，這樣就成了一個非線性問題。--熱傳導(dǎo)率也可以是任意數(shù)量預(yù)設(shè)的場變量的函數(shù)--預(yù)設(shè)場變量相關(guān)的材料性質(zhì)不會涉及非線性，ABAQUS使用簡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)定義溫度場變量設(shè)置包括的預(yù)設(shè)場變量數(shù)量比熱：*SPECIFICHEAT,--比熱可以定義為隨溫度與場變量變化--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變量變化材料熱性質(zhì)定義材料的熱性質(zhì)在inp中的*MATERIAL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變量的函數(shù)該單元可以在ABAQUS/Explicit中使用熱傳導(dǎo)單元定義連續(xù)單元：ABAQUS中連續(xù)擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元庫殼單元一階和二階插值用于軸對稱單元(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個點(diǎn)--每層殼必須是奇數(shù)個截面點(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--單元在每個殼節(jié)點(diǎn)的厚度方向的多個點(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。殼單元熱傳導(dǎo)單元定義--殼單元表面下方的溫度自由度為11（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*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1t1t2邊界條件與載荷邊界條件應(yīng)力分析中，每個自由度都有一對共軛變量：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，這對共軛變量是溫度---熱率(單位時間的能量流)

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11 2.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,*DSFLUX 3.在某些點(diǎn)上或者某些表面上的邊界層（薄膜）條件 *CFILM,*FILM和*SFILM 4.在某些點(diǎn)上或者某些表面上的輻射條件 *CRADIATE,*RADIATE,和*SRADIATE 5.自然邊界條件(默認(rèn))邊界條件與載荷邊界條件應(yīng)力分析中，每個自由度都有一對共軛變量邊界條件與載荷1.預(yù)設(shè)的溫度*BOUNDARYTNODE，11，11，500節(jié)點(diǎn)集第一個自由度溫度最后個自由度溫度值不變: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1.預(yù)設(shè)的溫度*BOUNDARY節(jié)點(diǎn)集第一個邊界條件與載荷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AMPLITUDE曲線，使得輸入的熱率可以隨時間變化。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2.預(yù)設(shè)的熱流量（熱率）節(jié)點(diǎn)的集中熱流量(與邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件--熱傳導(dǎo)中最常見的一種邊界條件是一個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)的方式來確定h的取值。Film,coefficienthq流體，溫度q*FILMPROPERTY,NAME=H111.6E-6,4014.2E-6,6019.3E-6,80定義hh是溫度q的函數(shù)邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件--熱傳導(dǎo)中最常見的邊界條件與載荷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，F(xiàn)3.，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(xiàn).，450，2.3E-3溫度h邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件*CFILM施加在節(jié)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（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單元面編號定義輻射邊界條件，需要定義Stefan-Boltzmann常數(shù)和絕對零度

*PHYSICALCONSTANTS,ABSOLUTEZERO=-273.16STEFANBOLTZMANN=5.6697E-8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邊界條件與載荷4.向環(huán)境的輻射輻射率emissivity是衡量一個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)境的輻射輻射率emissivity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FilmRadiationHeatfluxSurfacetemperature0200100Te=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4.向環(huán)境的輻射是否需要考慮輻射邊界條件Fi邊界條件與載荷5.自然邊界條件在任何溫度下沒有給定熱流并沒有外部熱流的表面，默認(rèn)條件是通過表面q=0,即沒有通過表面的熱流：理想絕熱條件這是自然（無熱載荷）邊界條件，用于諸如施加對稱邊界條件的時候，如外部熱源溫度800oC內(nèi)部熱源溫度400oC邊界條件與載荷5.自然邊界條件在任何溫度下沒有給定熱流并沒穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCFilmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatE穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)xy1.00.5ABCDE0.2Con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)穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)瞬態(tài)分析--有限元方法將問題在空間中離散化，對于瞬態(tài)傳熱問題，控制方程也必須通過時間積分進(jìn)行求解--在ABAQUS中對瞬態(tài)固體傳熱進(jìn)行時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)傳熱問題是在長的時間周期內(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--有限元方法將問題在空間中離散化，對于瞬態(tài)傳熱問題瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過程在對一些對外界條件改變的響應(yīng)中，開始時溫度隨時間的變化很快，然而到后期，可以看到溫度的緩慢變化。--在ABAQUS傳熱分析中，自動時間增量過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過程中具有一致的精確性。瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過程二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)例子xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCSpecificheat=434J/kg/oCDensity=7832kg/m3Filmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatEatsteadystate.瞬態(tài)分析二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)例子xy1.00.5ABCDE0.2Condu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)瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析--DELTMAX是一個時間積分精度參數(shù)在利用時間積分計算瞬態(tài)傳熱方程通過控制餓過程中，溫度在每個時間最大允許的溫度變化值，來控制求解的精度。配合使用自動時間增量方法，可以嚴(yán)格的控制時間增量步的大小，來滿足DELTMAX的設(shè)定。--如果計算過程中都能夠滿足DELTMAX,ABAQUS/Standard會嘗試盡量增大時間增量步。自動時間增量步算法會嘗試選擇最優(yōu)化的增量步時間，來兼顧計算精度和效率--瞬態(tài)傳熱分析可以通過設(shè)定當(dāng)溫度變化小于設(shè)定值時停止計算瞬態(tài)分析--DELTMAX是一個時間積分精度參數(shù)--如果計瞬態(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)定一個初始的溫度分布如果沒有給定初始值，abaqus的默認(rèn)初始溫度為0瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱分析中的Initialconditi瞬態(tài)分析--最小可用時間增量步設(shè)置（僅ABAQUS/Standard適用）在對瞬態(tài)擴(kuò)散過程的近似離散中，