PPT《ABAQUS 专题教程——热传导和热应力分析》

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 C 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. 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 Heat rate ? power 单位 J/t or W-- 热流量 Heat flux = Power per unit area 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: Ta Tb A L Q 介绍 -- 比热 ,衡量物质储存热的能力 单位: J/M/℃ 时间增量 温度增量 比热 -- 一维热传导公式 热扩散率 介绍 -- 类比 Stress Heat 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 *HEAT TRANSFER 过程选项*HEAT TRANSFER ? 瞬态分析(默认)*HEAT TRANSFER, STEADY STATE ? 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*SPECIFIC HEAT1.0 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…*INITIAL CONDITIOINS,TYPE=FIELD,VAR=1NALL,160…*STEP…*FIELD,VARIABLE=1,AMPLITUDE=TIMEVARNALL,180…*END STEP 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:*SPECIFIC HEAT, --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 q 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. n NT11 NT12 NT13 -- 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1 t1 t2 t3 t4 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 *SHELL SECTION 中定义:*SHELL SECTION,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;