ABAQUS熱分析.ppt

1、a,1,ABAQUS 專題教程 熱傳導和熱應力分析,a,2,第一講：固體熱傳導介紹,概述 介紹 分析過程 材料熱性質(zhì) ABAQUS/Standard 中的熱傳導單元庫 邊界條件和載荷 穩(wěn)態(tài)分析 瞬態(tài)分析 非線性分析,a,3,介紹,- ABAQUS 主要是用來進行 應力分析 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、復雜的和多組件模型的熱傳導問題。 熱傳導求解能力是從求解熱應力問題中發(fā)展出來的,a,4,ABAQUS 中的熱傳導特性 - 穩(wěn)態(tài)響應 - 瞬態(tài)響應 ， 包括自適應時間步長 - 全套熱傳導邊界條件 - 材料屬性（和載荷）可以是溫度相關 - 熱“接觸”允許在“接

2、觸表面”有熱流動 - 可以方便的將溫度場導入熱應力分析中 - 特性 潛熱項（由相變產(chǎn)生） 強制對流 應力-熱傳導耦合分析功能 熱傳導殼單元(沿厚度方向溫度梯度) 空腔輻射(加熱爐升溫)功能,介紹,a,5,介紹,ABAQUS 不能做什么 ABAQUS 不是專業(yè)熱傳導分析軟件 無流體分析 無自由對流 無浮力驅使流動 對熱沖擊問題無自適應網(wǎng)格劃分 無逆?zhèn)鳠岱治?a,6,介紹,力平衡與能量守恒之間的類比 - 在應力分析中， ABAQUS 求解力平衡方程: Mu = P I - 在熱傳導分析中， 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,a,7,介

3、紹,熱傳導分析中的基本物理量,- 溫度 Temperature 單位 - 熱能 Heat energy 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率和溫度梯度:,Ta,Tb,A,L,Q,a,8,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,- 一維熱傳導公式,熱擴散率,a,9,介紹,- 類比,Stress,Heat,a,10,分析過程,在 A

4、BAQUS/Standard 中，熱傳導分析的執(zhí)行是通過將幾何體離散成擴散熱傳導單元，并且使用 *HEAT TRANSFER 過程選項 *HEAT TRANSFER 瞬態(tài)分析(默認) *HEAT TRANSFER, STEADY STATE 穩(wěn)態(tài)分析,在 ABAQUS/Explicit 中，沒有單純的熱傳導分析選項， 然而可以進行全耦合的熱-應力分析。 這個功能通過設定適當?shù)倪吔鐥l件，可以模擬純熱傳導工程； 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。,a,11,材料熱性質(zhì)定義,材料的熱性質(zhì)在in

5、p 中的 *MATERIAL 關鍵字定義,*MATERIAL,NAME=MATERIAL-1 *CONDUCTIVITY 1.0 *DENSITY 1.0 *SPECIFIC HEAT 1.0,熱傳導率：*CONDUCTIVITY，可以定義各向同性（默認）或各向異性(正交或完全)用 TYPE 參數(shù)： *CONDUCTIVITY,TYPE=ISO|ORTHO|ANISO - 熱傳導率可以是溫度的函數(shù)，這樣就成了一個非線性問題。 - 熱傳導率也可以是任意數(shù)量預設的場變量的函數(shù) - 預設場變量相關的材料性質(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: *CONDUCTIVIT

6、Y,DEPENDENCIES=1 63.0,20,160 70.5,200,200 *INITIAL CONDITIOINS,TYPE=FIELD,VAR=1 NALL,160 *STEP *FIELD,VARIABLE=1,AMPLITUDE=TIMEVAR NALL,180 *END STEP,材料熱性質(zhì)定義,溫度,場變量,設置包括的預設場變量數(shù)量,比熱：*SPECIFIC HEAT, -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,a,12,熱傳導單元定義,連續(xù)單元：ABAQUS 中連續(xù)擴散熱傳導單元庫包

7、括: 一階（線性）插值單元 二階（拋物線）單元 用于一維，二維，軸對稱和三維應用,單元命名規(guī)則:,DC3D20,擴散diffusion,連續(xù)體continuum,節(jié)點數(shù),幾何，3D單元,- 這些單元節(jié)點的基本變量（自由度）是溫度標量 q ABAQUS中用自由度11表示溫度。 節(jié)點溫度輸出變量為 NT11.,點單元 熱容單元 HEATCAP 模擬在一點的集中熱容 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,a,13,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）應用的殼單元包含有單元庫中。殼單元用于模

8、擬承受熱載荷的薄壁結構如: 壓力容器，管道系統(tǒng)和金屬片元件等。,熱傳導單元定義,- 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的數(shù)量 - 在單層（均質(zhì)）殼中，截面點在厚度上均勻分布，默認為5個點 - 每層殼必須是奇數(shù)個截面點，這是由 ABAQUS/standard 在厚度上使用分段拋物線型插值方法決定的。,n,NT11,NT12,NT13,- 單元在每個殼節(jié)點的厚度方向的多個點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。,a,14,熱傳導單元定義,復合材料殼單元,多層復合材料熱殼可以被構建

9、 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 SECTION,COMPOSITE LAYER1的厚度， 溫度自由度數(shù)量(截面點數(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(截面點數(shù))， 材料名，材料方向參考的 orientation 名稱 ,多層復合材料熱殼的默認截面點數(shù)量為 3 所有層的單層截面點數(shù)量必須相等,a,15,邊界條件與載荷,邊界條件,應力分析中，每個自由

10、度都有一對共軛變量： 位移 - 作用或反作用力 默認情況下位移是未知的，力是已知的。 熱傳導分析中，這對共軛變量是 溫度 - 熱率(單位時間的能量流) 默認情況下溫度是未知的，熱率是已知的 - 已知的熱率 = 0， 相當于絕熱邊界條件； - 沒有外部的能量流進或流出節(jié)點。,ABAQUS 中的幾種熱邊界條件和熱載荷 1. 在某些節(jié)點上預設溫度， *BOUNDARY， 自由度11 2. 在某些點上或者某些表面上或者體積內(nèi)預設熱率 q *CFLUX, *DFLUX, *DSFLUX 3. 在某些點上或者某些表面上的邊界層（薄膜）條件 *CFILM, *FILM 和 *SFILM 4. 在某些點上或者

11、某些表面上的輻射條件 *CRADIATE, *RADIATE, 和 *SRADIATE 5. 自然邊界條件(默認),a,16,邊界條件與載荷,1. 預設的溫度,*BOUNDARY TNODE， 11， 11， 500,節(jié)點集,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-1 TNODE， 11， 11， 500,溫度幅值,溫度受幅值曲線 amp-1控制,1,1,t,0,幅值曲線,變化的溫度,500,1,t,0,T,溫度的共軛反作用是 熱率（熱能進入一個已經(jīng)預設溫度值的節(jié)點的流通率） 輸出變量: RFLn,a,17,邊界條

12、件與載荷,2. 預設的熱流量（熱率）,節(jié)點的集中熱流量(與自由度11共軛)通過關鍵字 *CFLUX 施加,*CFLUX， AMP= amp-1 FNODE， 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 *CFLUX 的當前值。,分布熱流量(通過關鍵字 *DFLUX 或 DSFLUX 施加,*DFLUX 可以施加在面或體上 *DSFLUX 只能施加在面上,*DFLUX， AMP= amp-1 ELHOL， S1， 300,*DSFLUX， AMP= amp-1 SHOL， S， 300,a,18,邊界條件與

13、載荷,3. 邊界層(薄膜)條件,- 熱傳導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: 熱傳導的結果嚴重依賴這個參數(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，臟污和方位強相關，因此很難去特征化。 通常，需要用試驗校準的方式來確定 h 的取值。,Film, coefficient h,q,流體，溫度q,*FILM PROPERTY, NAME = H1 11.6E-6

14、, 40 14.2E-6, 60 19.3E-6, 80,定義 h,h是溫度q的函數(shù),a,19,邊界條件與載荷,3. 邊界層(薄膜)條件,*CFILM 施加在節(jié)點上,*CFILM NODESET， 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,*FILM ELSET， F3.， 450， 2.3E-3,面積,溫度,h,溫度,h,*SFILM 二維情況下施加在面上,*FILM SURSET， F.， 450， 2.3E-3,溫度,h,a,20,邊界條件與載荷,4. 向環(huán)境的輻射,熱傳導中的另一種邊界條件是黑體輻射,q = -A(T4 Te4),

15、*CRADIATE 施加在節(jié)點上,*CRADIATE NODESET， 100.， 450， 0.1,Emissivity（01）,*RADIATE 施加在單元上,*RADIATE ELSET， R1.， 450， 0.1,*SRADIATE 施加在面上,*CRADIATE SURSET， 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,*PHYSICAL CONSTANTS, ABSOLUTE ZERO = -273.16 STEFAN BOLTZMANN = 5.6697E-8,a,21,邊界條件與載荷,4. 向環(huán)境的輻射,輻

16、射率 emissivity 是衡量一個表面有多接近理想黑體的指標,一些常用材料的輻射率： Commercial aluminum sheet: 0.09 Heavily oxidized aluminum sheet: 0.2 Polished gold: 0.02 Rusted iron plate: 0.6 Polished iron plate: 0.07 Turned, heated cast iron: 0.44 Type 301 stainless steel: 0.58 Red brick: 0.93 Black shiny lacquer on iron: 0.88 White

17、 vamish: 0.09 Water: 0.95,a,22,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,Film,Radiation,Heat flux,Surface temperature,0,200,100,Te = Room temp (23oC) h = 10W/m2/oC 輻射率=1,溫度越高，輻射現(xiàn)象越強,a,23,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,a,24,穩(wěn)態(tài)分析實例,二維熱傳導

18、,x,y,1.0,0.5,A,B,C,D,E,0.2,Conductivity = 52W/m/oC Film coefficient = 750W/m2/oC Boundary conditions: = 100oC C along AB Heat flux = 0 along DA Convection to ambient temperature of 0oC along BC and CD Objective: Find q at E Target solution: 18.3oC at E,a,25,穩(wěn)態(tài)分析實例,定義熱傳導率,定義薄膜換熱系數(shù),換熱條件,邊界條件,a,26,穩(wěn)態(tài)分析

19、實例,二維熱傳導,a,27,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行求解 -在ABAQUS 中對瞬態(tài)固體傳熱進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?shù)木_ 無條件穩(wěn)定的 -算法的穩(wěn)定性非常重要，因為許多瞬態(tài)傳熱問題是在長的時間周期內(nèi)進行分析的。(典型的是要到達到穩(wěn)態(tài)條件）,a,28,瞬態(tài)分析,-瞬態(tài)傳熱是擴散主導的過程 在對一些對外界條件改變的響應中，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)建的期望響應類型: 指數(shù)衰減或增加。 -這種

20、結合精確設置 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。,a,29,二維瞬態(tài)熱傳導例子,x,y,1.0,0.5,A,B,C,D,E,0.2,Conductivity = 52W/m/oC Specific heat = 434J/kg/oC Density = 7832kg/m3 Film coefficient = 750W/m2/oC Boundary conditions: = 100oC C along AB Heat flux = 0 along DA Convection to ambient temperature

21、 of 0oC along BC and CD Objective: Find q at E Target solution: 18.3oC at E at steady state.,瞬態(tài)分析,a,30,瞬態(tài)分析,在穩(wěn)態(tài)算例基礎上，增加密度和比熱參數(shù),瞬態(tài)傳熱分析步設定,DELTMAX,a,31,瞬態(tài)分析,a,32,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，可以嚴格的控制時間增量步的大小，來滿足DELTMAX 的設定。,-如果計算過程中都能夠滿足 DEL

22、TMAX, 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定當溫度變化小于設定值時停止計算,a,33,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，設定一個初始的溫度分布 如果沒有給定初始值，abaqus 的默認初始溫度為 0,a,34,瞬態(tài)分析,-最小可用時間增量步設置（僅ABAQUS/Standard 適用） 在對瞬態(tài)擴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。 空間單元的大小和時間增量步之間的關系是：如果一個時間增量步

23、太小，將會產(chǎn)生很多無用信息，并且事實上還好經(jīng)常出現(xiàn)一些虛假的震蕩的結果。 當使用二階單元時，震蕩會比較顯著,最小時間增量準則：,Dt = 時間增量 r = 密度 c = 比熱 k = 熱傳導率 Dl = 在最大溫度梯度區(qū)域靠近表面的單元尺度,a,35,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. 熱傳導率是溫度的函數(shù) 2. 比熱是溫度的函數(shù) 3. 潛熱效應，一種很強的非線性 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

24、，求解非線性問題的方程：,a,36,熱“接觸”,-熱量通過接觸界面?zhèn)鲗?通過這些薄的界面進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，假設它具有零比熱,a,37,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，這種效應被模型化為: 機遇面之間的相互關系，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。,a,38,熱“接觸”,-熱量可以通過以下方式穿過界面 1. 熱傳導， 定義間隙熱傳導系數(shù) *GAP CONDUCTANCE 2. 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，它們的相對重要關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)： 熱傳導相對重要一些。因為熱輻射不需要中 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,與機械接觸相同。,只是定義接觸關