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ABAQUS热固耦合分析

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发表时间:2022-06-14 16:06作者:众联亿诚

      Abaqus是现代非常通用的求解器,其中在热分析方面也有着很强大的模拟功能与求解能力。


      在波动能量的传播中,只要介质内或介质之间存在温度差,那么就一定会发生传热。热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。当弹性体的温度变化时,其体积将趋于膨胀或收缩,则物体将发生一阻止发生变化的趋势,此时机构中就会出现附加的应力。当临近的分子发生碰撞时,能量就会从能量高的分子向能量低的分子传输。从而,当存在温度梯度时,通过导热的能量传输总是向温度降低的方向进行。这种因温度变化而引起的应力成为热应力或温度应力。


      在Abaqus中,要进行热固耦合的话,可以选择顺序耦合或者完全耦合两种方式,两者的英文分别是sequentially coupled 与fullycoupled。


    所谓顺序耦合,就是温度场对位移场/力场起作用,而位移场/力场对温度场不起作用,也就是说温度的变化引起位移/力的变化,从而产生热应力,而位移/力的变化对温度的变化影响较小或者可以忽略,即热应不影响温度,那么这个时候就可以先计算热传导确定温度分布, 再把温度场作为初始条件(预定义场)导入应力分析中,从而得到热应力,这种使用- -先一后两个分析的步骤称为顺序耦合。


     根据传热过程中温度是否随时间变化,传热可分为两种热态,即稳态传热和非稳态传热。ABAQUS热传导模块与之对应也分为稳态和瞬态两种(在分析步中定义)。稳态分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数,系统的温度场不随时间变化。瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其他热参数,在工程上一般用于计算温度场,并作为热载荷进行应力分析。


     所谓完全耦合 ,即位移场/力场与温度场是相互作用的,两者的影响都比较显著或者均需考虑,那么这个时候就需要做完全的热固耦合分析。Abaqus有专门的完全耦合分析步,网格也是专门的单元库类型如下图。完全耦合只需要一个分析步就即可。


     在Step模块中,Abaqus不仅可以进行热传导分析,而且还可以进行温度场与其它场的耦合分析,其提供了以下几种分析类型,来进行热分析:


热传导:Heattransfer

热-变形耦合分析:Coupledtemp-displacement

热-电耦合分析:Coupled thermal-electric

热-电-结构耦合分析:Coupledthermal-electrical-structural

图片

     针对热分析,Abaqus专门提供了用于此分析的单元(C3D8T)

热通量:依据热传导方式的不同,热通量分为传导热通量 、辐射热通量 和对流热通量 对于不同的应用,热通量的名称还有如:大地热通量 。


在SI中,其单位是瓦特每平方米(W⋅m-2) 为了确定空间某一点的热通量,需要考虑表面尺寸无限小的极限情况。


对于通常情况下的大多数固体,热量主要通过传导来传递,而热通量则由傅立叶定律充分地描述与温度分布相关的热通量T(X)的在导热材料中k可由下式得到:

图片


热-应力耦合分析:


顺序耦合热应力分析:

当应力是由热量场存在造成的,并且热求解过程与应力状态无关,也就是说应力依赖于热产生,而热并不依赖位移。所以需要先分析热传导,再将温度结果导热应力分析热分析的结果,如温度(位置,时间的函数)被读入应力分析,作为一个预定义场。


完全耦合热应力分析:

应力依赖于温度场并且温度也依赖于应力场。只需要加载一个分析步。


绝热分析:

这个分析的目的是模拟机械的变形产生局部的热量,由于时间很短,热传导不明显。所有的温度增加是在材料局部发生的,并且只影响局部材料点的机械属性。


Interaction模块中,对于热分析中的接触问题,Abaqus提供了热“接触”的方式,通过界面传热、热相互作用、间隙传热、间隙辐射等方式来模拟热在接触位置的传递情况。一般需要先根据实际情况对接触属性进行定义进而定义接触类型(通用接触、面与面接触、自接触、流体交换等方式)。


Load模块下的温度场定义,一般需要有初始温度、工作温度和室温。可以对传热介质和受热物体同时或分别进行设置。在软件中,可以在施加载荷模块中预定义场的设定中直接给出温度值或者读入之前所做传热分析的结果文件。


在Material模块中设定材料属性,一般有:弹性模量、泊松比,线膨胀系数,热传导率等。


Mesh模块中网格划分,ABAQUS也提供了相对应Heattransfer,Coupled temp-displacement,Coupled thermal-electric,Coupledthermal-electrical-structural 的特定网格类型,以便保证网格的质量与分析准确性。


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