基于ABAQUS热传导与热应力分析(经典)

ABAQUS专题教程——热传导和热应力分析第一讲：固体热传导介绍概述•介绍•分析过程•材料热性质•ABAQUS/Standard中的热传导单元库•边界条件和载荷•稳态分析•瞬态分析•非线性分析介绍--ABAQUS主要是用来进行‘应力分析’的软件--但ABAQUS也有一个重要的特性：就是可以求解规模大的、复杂的和多组件模型的热传导问题。——热传导求解能力是从求解热应力问题中发展出来的ABAQUS中的热传导特性--稳态响应--瞬态响应，包括自适应时间步长--全套热传导边界条件--材料属性（和载荷）可以是温度相关--热“接触”允许在“接触表面”有热流动--可以方便的将温度场导入热应力分析中--特性•潜热项（由相变产生）•强制对流•应力-热传导耦合分析功能•热传导壳单元(沿厚度方向温度梯度)•空腔辐射(加热炉升温)功能介绍介绍ABAQUS不能做什么——ABAQUS不是专业热传导分析软件•无流体分析•无自由对流•无浮力驱使流动•对热冲击问题无自适应网格划分•无逆传热分析介绍力平衡与能量守恒之间的类比--在应力分析中，ABAQUS求解力平衡方程:Mu’’=P–I--在热传导分析中，ABAQUS求解‘能率守恒’方程并确定温度的分布。qIQc密度比热温度变化率外部热量内部热量介绍热传导分析中的基本物理量--温度Temperature单位℃--热能Heatenergy单位J--热率Heatratepower单位J/torW--热流量Heatflux=Powerperunitarea单位J/t/L2--‘热传导率‘k,衡量物质中热量流动的能力单位J/T/L/℃:热流量正比于热传导率和温度梯度:xTkqTaTbALQLTTkAqAQab介绍--比热，衡量物质储存热的能力单位：J/M/℃VctQ时间增量温度增量比热--一维热传导公式22xktc221xtck热扩散率介绍--类比StressHeatuqVTdVIVTqdVIVTdVDVTdVKDK分析过程•在ABAQUS/Standard中，热传导分析的执行是通过将几何体离散成扩散热传导单元，并且使用*HEATTRANSFER过程选项*HEATTRANSFER瞬态分析(默认)*HEATTRANSFER,STEADYSTATE稳态分析•在ABAQUS/Explicit中，没有单纯的热传导分析选项，然而可以进行全耦合的热-应力分析。•这个功能通过设定适当的边界条件，可以模拟纯热传导工程；•除空腔辐射和利用用户子程序定义的不均匀热载荷之外，其他在ABAQUS/Standard中可以使用的热属性，都可以用在Explicit中。材料热性质定义•材料的热性质在inp中的*MATERIAL关键字定义*MATERIAL,NAME=MATERIAL-1*CONDUCTIVITY1.0*DENSITY1.0*SPECIFICHEAT1.0热传导率：*CONDUCTIVITY，可以定义各向同性（默认）或各向异性(正交或完全)用TYPE参数：*CONDUCTIVITY,TYPE=ISO|ORTHO|ANISO--热传导率可以是温度的函数，这样就成了一个非线性问题。--热传导率也可以是任意数量预设的场变量的函数--预设场变量相关的材料性质不会涉及非线性，ABAQUS使用简单的插值方法确定材料性质。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材料热性质定义温度场变量设置包括的预设场变量数量比热：*SPECIFICHEAT,--比热可以定义为随温度与场变量变化--大多数材料的比热随温度平稳变化密度：*DENSITY,--密度可以定义为随温度与场变量变化热传导单元定义•连续单元：ABAQUS中连续扩散热传导单元库包括:•一阶（线性）插值单元•二阶（抛物线）单元•用于一维，二维，轴对称和三维应用单元命名规则:DC3D20扩散diffusion连续体continuum节点数几何，3D单元--这些单元节点的基本变量（自由度）是温度标量ABAQUS中用自由度11表示温度。节点温度输出变量为NT11.•点单元•热容单元HEATCAP模拟在一点的集中热容•热容可以是温度或场变量的函数•该单元可以在ABAQUS/Explicit中使用•壳单元•一阶和二阶插值用于轴对称单元(DSAX1,DSAX2)和三维（DS3，DS4，DS6，DS8）应用的壳单元包含有单元库中。壳单元用于模拟承受热载荷的薄壁结构如:压力容器，管道系统和金属片元件等。热传导单元定义--壳单元表面下方的温度自由度为11（输出变量为NT11）--在正表面的温度自由度为10+n,n为壳截面上使用截面点的数量--在单层（均质）壳中，截面点在厚度上均匀分布，默认为5个点--每层壳必须是奇数个截面点，这是由ABAQUS/standard在厚度上使用分段抛物线型插值方法决定的。nNT11NT12NT13--单元在每个壳节点的厚度方向的多个点上提供了温度自由度，这样温度不仅随着壳的参考平面变化，也随厚度方向变化。热传导单元定义•复合材料壳单元材料1材料1材料1材料1t1t2t3t4多层复合材料热壳可以被构建每一层可以是不同厚度，不同主方向的不同材料组成材料特性在*SHELLSECTION中定义:*SHELLSECTION,COMPOSITELAYER1的厚度，温度自由度数量(截面点数)，材料名，材料方向参考的orientation名称LAYER2的厚度，温度自由度数量(截面点数)，材料名，材料方向参考的orientation名称LAYER3的厚度，温度自由度数量(截面点数)，材料名，材料方向参考的orientation名称…•多层复合材料热壳的默认截面点数量为3•所有层的单层截面点数量必须相等边界条件与载荷边界条件应力分析中，每个自由度都有一对共轭变量：位移--作用或反作用力默认情况下位移是未知的，力是已知的。热传导分析中，这对共轭变量是温度---热率(单位时间的能量流)默认情况下温度是未知的，热率是已知的--已知的热率=0，相当于绝热边界条件；--没有外部的能量流进或流出节点。ABAQUS中的几种热边界条件和热载荷1.在某些节点上预设温度，*BOUNDARY，自由度112.在某些点上或者某些表面上或者体积内预设热率q*CFLUX,*DFLUX,*DSFLUX3.在某些点上或者某些表面上的边界层（薄膜）条件*CFILM,*FILM和*SFILM4.在某些点上或者某些表面上的辐射条件*CRADIATE,*RADIATE,和*SRADIATE5.自然边界条件(默认)边界条件与载荷1.预设的温度*BOUNDARYTNODE，11，11，500节点集第一个自由度温度最后个自由度温度值不变:变化的温度:*BOUNDARY,AMPLITUDE=amp-1TNODE，11，11，500温度幅值温度受幅值曲线amp-1控制11t0幅值曲线变化的温度5001t0T温度的共轭反作用是热率（热能进入一个已经预设温度值的节点的流通率）输出变量:RFLn边界条件与载荷2.预设的热流量（热率）节点的集中热流量(与自由度11共轭)通过关键字*CFLUX施加*CFLUX，AMP=amp-1FNODE，11，30热率参考值输入可以参考一个AMPLITUDE曲线，使得输入的热率可以随时间变化。输出变量CFLn可以反映节点*CFLUX的当前值。分布热流量(通过关键字*DFLUX或DSFLUX施加q*DFLUX可以施加在面或体上*DSFLUX只能施加在面上*DFLUX，AMP=amp-1ELHOL，S1，300*DSFLUX，AMP=amp-1SHOL，S，300边界条件与载荷3.边界层(薄膜)条件--热传导中最常见的一种边界条件是一个自由表面被紧临的流体加热或降温--关键字*CFLIM，*FILM和*SFILM用于定义边界层条件。--边界层系数h是ABAQUS的一个输入参数，量纲:JL-2T-1-1--边界层系数的重要性:热传导的结果严重依赖这个参数典型的，h是流体雷诺数和流通温度的函数，但也与表面状况如粗糙度，脏污和方位强相关，因此很难去特征化。通常，需要用试验校准的方式来确定h的取值。Film,coefficienthq流体，温度*FILMPROPERTY,NAME=H111.6E-6,4014.2E-6,6019.3E-6,80定义hh是温度的函数边界条件与载荷3.边界层(薄膜)条件*CFILM施加在节点上*CFILMNODESET，100.，450，2.3E-3*FILM二维情况下施加在单边上，三维情况下施加在单元面上*FILMELSET，F3.，450，2.3E-3面积温度h温度h*SFILM二维情况下施加在面上*FILMSURSET，F.，450，2.3E-3温度h边界条件与载荷4.向环境的辐射热传导中的另一种边界条件是黑体辐射q=-A(T4–Te4)*CRADIATE施加在节点上*CRADIATENODESET，100.，450，0.1Emissivity（0~1）*RADIATE施加在单元上*RADIATEELSET，R1.，450，0.1*SRADIATE施加在面上*CRADIATESURSET，R.，450，0.1单元面编号定义辐射边界条件，需要定义Stefan-Boltzmann常数和绝对零度*PHYSICALCONSTANTS,ABSOLUTEZERO=-273.16STEFANBOLTZMANN=5.6697E-8边界条件与载荷4.向环境的辐射辐射率emissivity是衡量一个表面有多接近理想黑体的指标一些常用材料的辐射率：Commercialaluminumsheet:0.09Heavilyoxidizedaluminumsheet:0.2Polishedgold:0.02Rustedironplate:0.6Polishedironplate:0.07Turned,heatedcastiron:0.44Type301stainlesssteel:0.58Redbrick:0.93Blackshinylacqueroniron:0.88Whitevamish:0.09Water:0.95边界条件与载荷4.向环境的辐射是否需要考虑辐射边界条件FilmRadiationHeatfluxSurfacetemperature0200100Te=Roomtemp(23oC)h=10W/m2/oC辐射率=1温度越高，辐射现象越强边界条件与载荷5.自然边界条件在任何温度下没有给定热流并没有外部热流的表面，默认条件是通过表面q=0,即没有通过表面的热流：理想绝热条件这是自然（无热载荷）边界条件，用于诸如施加对称边界条件的时候，如外部热源温度800oC内部热源温度400oC稳态分析实例二维热传导xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCFilmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatE稳态分析实例定义热传导率定义薄膜换热系数换热条件边界条件稳态分析实例二维热传导瞬态分析--有限元方法将问题在空间中离散化，对于瞬态传热问题，控制方程也必须通过时间积分进行求解--在ABAQUS中对瞬态固体传热进行时间积分的操作是利用后向差分算法：tUUttttt)(U--后向差分算法是:•相当的精确•无条件稳