ABAQUS熱分析.ppt

1、a,1,ABAQUS 專題教程 熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,a,2,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,a,3,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(gè)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,a,4,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(shí)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

2、觸表面”有熱流動(dòng) - 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(duì)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,a,5,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(duì)流 無浮力驅(qū)使流動(dòng) 對(duì)熱沖擊問題無自適應(yīng)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(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,a,7,介

3、紹,熱傳導(dǎo)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(dǎo)率 k , 衡量物質(zhì)中熱量流動(dòng)的能力 單位 J/T/L/: 熱流量正比于熱傳導(dǎo)率和溫度梯度:,Ta,Tb,A,L,Q,a,8,介紹,- 比熱 ，衡量物質(zhì)儲(chǔ)存熱的能力 單位： J/M/,時(shí)間增量,溫度增量,比熱,- 一維熱傳導(dǎo)公式,熱擴(kuò)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(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 *HEAT TRANSFER 過程選項(xiàng) *HEAT TRANSFER 瞬態(tài)分析(默認(rèn)) *HEAT TRANSFER, STEADY STATE 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(gè)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。,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(guān)鍵字定義,*MATERIAL,NAME=MATERIAL-1 *CONDUCTIVITY 1.0 *DENSITY 1.0 *SPECIFIC HEAT 1.0,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(gè)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(huì)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(shè)置包括的預(yù)設(shè)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(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

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(duì)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 q ABAQUS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,a,13,殼單元 一階和二階插值用于軸對(duì)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

8、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(gè)點(diǎn) - 每層殼必須是奇數(shù)個(gè)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。,n,NT11,NT12,NT13,- 單元在每個(gè)殼節(jié)點(diǎn)的厚度方向的多個(gè)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。,a,14,熱傳導(dǎo)單元定義,復(fù)合材料殼單元,多層復(fù)合材料熱殼可以被構(gòu)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(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,a,15,邊界條件與載荷,邊界條件,應(yīng)力分析中，每個(gè)自由

10、度都有一對(duì)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(duì)共軛變量是 溫度 - 熱率(單位時(shí)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

11、某些表面上的輻射條件 *CRADIATE, *RADIATE, 和 *SRADIATE 5. 自然邊界條件(默認(rèn)),a,16,邊界條件與載荷,1. 預(yù)設(shè)的溫度,*BOUNDARY TNODE， 11， 11， 500,節(jié)點(diǎn)集,第一個(gè) 自由度,溫度,最后個(gè) 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(jìn)入一個(gè)已經(jīng)預(yù)設(shè)溫度值的節(jié)點(diǎn)的流通率） 輸出變量: RFLn,a,17,邊界條

12、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-1 FNODE， 11， 30,熱率參考值,輸入可以參考一個(gè) AMPLITUDE 曲線，使得輸入的熱率可以隨時(shí)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,*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(dǎo)中最常見的一種邊界條件是一個(gè)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(gè)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(gè)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, 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(diǎn)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(dǎo)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(diǎn)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(hào),定義輻射邊界條件，需要定義Stefan-Boltzmann常數(shù)和絕對(duì)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(gè)表面有多接近理想黑體的指標(biāo),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(qiáng),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(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(duì)稱邊界條件的時(shí)候，如,a,24,穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例,二維熱傳導(dǎo)

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(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,a,26,穩(wěn)態(tài)分析

19、實(shí)例,二維熱傳導(dǎo),a,27,瞬態(tài)分析,-有限元方法將問題在空間中離散化，對(duì)于瞬態(tài)傳熱問題，控制方程也必須通過時(shí)間積分進(jìn)行求解 -在ABAQUS 中對(duì)瞬態(tài)固體傳熱進(jìn)行時(shí)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(shí)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）,a,28,瞬態(tài)分析,-瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過程 在對(duì)一些對(duì)外界條件改變的響應(yīng)中，開始時(shí)溫度隨時(shí)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(dòng)時(shí)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

20、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(gè)過程中具有一致的精確性。,a,29,二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)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(chǔ)上，增加密度和比熱參數(shù),瞬態(tài)傳熱分析步設(shè)定,DELTMAX,a,31,瞬態(tài)分析,a,32,瞬態(tài)分析,-DELTMAX 是一個(gè)時(shí)間積分精度參數(shù) 在利用時(shí)間積分計(jì)算瞬態(tài)傳熱方程通過控制餓過程中，溫度在每個(gè)時(shí)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(dòng)時(shí)間增量方法，可以嚴(yán)格的控制時(shí)間增量步的大小，來滿足DELTMAX 的設(shè)定。,-如果計(jì)算過程中都能夠滿足 DEL

22、TMAX, ABAQUS/Standard 會(huì)嘗試盡量增大時(shí)間增量步。 自動(dòng)時(shí)間增量步算法會(huì)嘗試選擇最優(yōu)化的增量步時(shí)間，來兼顧計(jì)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(shí)停止計(jì)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(shè)定一個(gè)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,a,34,瞬態(tài)分析,-最小可用時(shí)間增量步設(shè)置（僅ABAQUS/Standard 適用） 在對(duì)瞬態(tài)擴(kuò)散過程的近似離散中，非常重要的一個(gè)問題是初始時(shí)間增量的選擇。 空間單元的大小和時(shí)間增量步之間的關(guān)系是：如果一個(gè)時(shí)間增量步

23、太小，將會(huì)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(shí)，震蕩會(huì)比較顯著,最小時(shí)間增量準(zhǔn)則：,Dt = 時(shí)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,a,35,非線性分析,-一個(gè)典型的傳熱分析會(huì)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(shí)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

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?dǎo) 通過這些薄的界面進(jìn)行傳熱是熱分析的一個(gè)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,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(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。,a,38,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) *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(duì)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(duì)重要一些。因?yàn)闊彷椛洳恍枰?間媒介，中間媒介的存在反而會(huì)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(duì),與機(jī)械接觸相同。,只是定義接觸關(guān)