Abaqus-热传导和热应力分析.ppt

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=PI-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Heatenergy单位J-热率Heatratepower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:,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*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qABAQUS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,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,1,1,t,0,幅值曲线,变化的温度,500,1,t,0,T,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,*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-1q-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,coefficienth,q,流体，温度q,*FILMPROPERTY,NAME=H111.6E-6,4014.2E-6,6019.3E-6,80,定义h,h是温度q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(T4Te4),*CRADIATE施加在节点上,*CRADIATENODESET，100.，450，0.1,Emissivity（01）,*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,Film,Radiation,Heatflux,Surfacetemperature,0,200,100,Te=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,稳态分析实例,二维热传导,x,y,1.0,0.5,A,B,C,D,E,0.2,Conductivity=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：,-后向差分算法是:相当的精确无条件稳定的-算法的稳定性非常重要，因为许多瞬态传热问题是在长的时间周期内进行分析的。(典型的是要到达到稳态条件）,瞬态分析,-瞬态传热是扩散主导的过程在对一些对外界条件改变的响应中，开始时温度随时间的变化很快，然而到后期，可以看到温度的缓慢变化。-在ABAQUS传热分析中，自动时间增量过程具有这种逻辑上内建的期望响应类型:指数衰减或增加。-这种结合精确设置DELTMX的方案，允许ABAQUS/Standard保持在所有分析阶段的整个过程中具有一致的精确性。,二维瞬态热传导例子,x,y,1.0,0.5,A,B,C,D,E,0.2,Conductivity=52W/m/oCSpecificheat=434J/kg/oCDensity=7832kg/m3Filmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatEatsteadystate.,瞬态分析,瞬态分析,在稳态算例基础上，增加密度和比热参数,瞬态传热分析步设定,DELTMAX,瞬态分析,瞬态分析,-DELTMAX是一个时间积分精度参数在利用时间积分计算瞬态传热方程通过控制饿过程中，温度在每个时间最大允许的温度变化值，来控制求解的精度。配合使用自动时间增量方法，可以严格的控制时间增量步的大小，来满足DELTMAX的设定。,-如果计算过程中都能够满足DELTMAX,ABAQUS/Standard会尝试尽量增大时间增量步。自动时间增量步算法会尝试选择最优化的增量步时间，来兼顾计算精度和效率,-瞬态传热分析可以通过设定当温度变化小于设定值时停止计算,瞬态分析,-瞬态传热分析中的Initialconditions可以再瞬态传热分析之前，设定一个初始的温度分布如果没有给定初始值，abaqus的默认初始温度为0,瞬态分析,-最小可用时间增量步设置（仅ABAQUS/Standard适用）在对瞬态扩散过程的近似离散中，非常重要的一个问题是初始时间增量的选择。空间单元的大小和时间增量步之间的关系是：如果一个时间增量步太小，将会产生很多无用信息，并且事实上还好经常出现一些虚假的震荡的结果。当使用二阶单元时，震荡会比较显著,最小时间增量准则：,Dt=时间增量r=密度c=比热k=热传导率Dl=在最大温度梯度区域靠近表面的单元尺度,非线性分析,-一个典型的传热分析会包含以下的一些非线性:材料非线性:1.热传导率是温度的函数2.比热是温度的函数3.潜热效应，一种很强的非线性边界条件非线性:1.具有辐射边界条件，有时也是一种很强的非线性2.换热系数是温度的函数3.任何热流边界条件中，热流是温度的函数,-ABAQUS/Standard使用牛-拉迭代法，求解非线性问题的方程：,热“接触”,-热量通过接触界面传导通过这些薄的界面进行传热是热分析的一个重要方面这些界面通常居于较低的导热率因此，在它们之间允许较大的温度差异然而，薄的界面具有可以忽略的“热质量”因此可以忽略界面内部的热能，假设它具有零比热,热“接触”,-热界面的例子,流体速度曲线,流体边界层,芯片核心,载板,表面1,表面2,在ABAQUS中，这种效应被模型化为:机遇面之间的相互关系，这些面(三维或二维)通常是物理上很相近，但两边具有不同的温度。这些面可以再不同物体上，也可以在同一物体上。,热“接触”,-热量可以通过以下方式穿过界面1.热传导，定义间隙热传导系数*GAPCONDUCTANCE2.热辐射，定义间隙热辐射率*GAPRADIATION-通常以上两种传热模式都存在，它们的相对重要关系取决于表面温度和界面间的媒介:1.界面间存在一定物质：热传导相对重要一些。因为热辐射不需要中间媒介，中间媒介的存在反而会吸收掉辐射热能。,热“接触”如何定义,1.定义表面,2.定义定义接触对,与机械接触相同。,只是定义接触关系属性时需要用热的