热传导与热应力分析详解

1、ABAQUS特殊课程热传导和热应力分析，第1讲：固体热传导导论，ABAQUS/Standard中热传导单元库的边界条件概述和载荷稳态分析的瞬态分析，导论ABAQUS主要用于“应力分析”软件但是ABAQUS也有一个重要的特点：它可以解决大规模、复杂和多组件模型的热传导问题。解决热传导的能力是从解决热应力问题发展而来的。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热传导边界条件的完整集合材料特性(和载荷)可以是温度相关的热“接触”允许热在“接触表面”上流动温度场可以方便地引入热应力分析特征潜热项(由相变产生)强制对流应力热传导耦合分析功能热传导壳元(沿厚度方向的温度梯度)空腔辐射

2、(加热炉加热)功能、引入、引入、ABAQUS不能做的事情。 ABAQUS不是一个专业的热传导分析软件，没有流体分析，没有自由对流，没有浮力驱动流，没有热冲击的自适应网格划分，没有反向传热分析，引入，力平衡和能量守恒之间的类比在应力分析中，ABAQUS求解力平衡方程：”=P-I在热传导分析中，ABAQUS求解能量守恒方程并确定温度分布。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，-温度温度单位-热能单位J -热率功率单位j/t或w-热通量=单位面积功率单位j/t/L2，-热导率k，测量物质中热流的单位为J/T/L/:热通量与热导率和温度梯度：成比例。Ta、TB、A

3、、L、Q、简介，-比热。测量物质蓄热的单位是焦耳/米/、时间增量、温度增量和比热。热量，分析过程，在ABAQUS/Standard中，热传导分析通过将几何图形离散为扩散热传导单元，并使用*热传递过程选项*热传递瞬态分析(默认)*热传递，稳态分析来执行。在ABAQUS/Explicit中，没有简单的热传导分析选项，但是可以执行完全耦合的热应力分析。该函数可以通过设置适当的边界条件来模拟纯热传导工程；除了由用户子程序定义的空腔辐射和不均匀热负荷之外，可在ABAQUS/标准中使用的其他热特性可在显式中使用。材料热性能定义，在inp中由*material关键字*定义，MATERIAL，name=MAT

4、ERIAL-1 * conductivity 1.0 * density 1.0 * specific heat 1.0，热导率：*电导率、各向同性(默认)或各向异性(正交或完全)可以用TYPE参数定义：*电导率，type=iso |正交|各向异性-热导率可以是温度的函数，这成为一个非线性问题。-热导率也可以是任何预设场变量的函数-与预设场变量相关的材料属性不会涉及非线性，ABAQUS使用简单的插值方法来确定材料属性。例如， *电导率，相关性=1 63.0，20，160 70.5，200，200.*初始条件，类型=字段，var=1 nall，160.*步骤.*字段，变量=1，振幅=时间值，18

5、0.*结束步骤，定义材料热特性、温度、场变量、设置中包含的预设场变量的数量、比热：*比热，-比热可定义为随温度和场变量变化-大多数材料的比热随温度、密度平稳变化：*密度，-密度可定义为随温度和场变量变化，热传导单位定义， 连续单元：ABAQUS中的连续扩散热传导单元库包括用于一维、二维、轴对称和三维应用的：个一阶(线性)插值单元和二阶(抛物线)单元，单元命名规则：DC3D20、扩散、连续体、节点数、几何形状，这些单元节点的基本变量(自由度)是温度标量q ABAQUS，其中自由度为11。 节点温度的输出变量为NT11。点单元的热帽模拟某一点的集中热容量。热容量可以是温度或场变量的函数。该单元可用

6、于ABAQUS/Explicit，壳单元的一阶和二阶插值用于轴对称单元(DSAX1、DSAX2)和三维单元(DS3、DS4、DS6、DS8)。壳单元用于模拟热载荷下的薄壁结构，如：压力容器、管道系统和金属薄板构件。热传导单元的定义，-壳体单元表面下的温度自由度为11(输出变量为NT11) -前表面上的温度自由度为10 n，n其中n是壳体截面上使用的横截面点数-在单层(均质)壳体中，横截面点数在厚度上均匀分布，默认值为5点-每层壳体必须有奇数个横截面点数，这由ABAQUS/standard厚度决定。n、nt11、nt12、nt13、-单元在每个壳节点的厚度方向上的多个点提供温度自由度，因此温度不

7、仅随壳的参考平面变化，也随厚度方向变化。导热单元定义、复合壳单元、多层复合热壳可以被构造，每层可以由不同厚度和不同主方向的不同材料组成，并且材料属性被定义在*SHELL SECTION、复合层1的厚度、温度的自由度(区段数)、材料名称、取向的厚度名称LAYER2、温度自由度的数目(区段数)、材料名称、取向的厚度名称LAYER3中， 温度自由度数(截面数)、材料名称、材料方向参照的方向名称，多层复合热壳的默认截面点数为3。 所有层的单层横截面点数必须相等。在边界条件和载荷、边界条件和应力分析中，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。在热传导分析中

8、，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-已知热率=0，这相当于绝热边界条件。-没有外部能量流入或流出节点。ABAQUS 1中的几种热边界条件和热载荷。某些节点的预设温度，* BOUNDARY，自由度11 2。预设加热速率q * cflux，* dflux，*某些点或表面或体积的ds flux 3。某些点或表面的边界层(薄膜)条件* cfilm，*FILM和* film4。某些点或表面的辐射条件*辐射，*辐射，和*辐射5。自然边界条件(默认)，边界条件和载荷，1。预设温度，* BOUNDARY TNODE，11，11，500，节点集，第一自由度，温度，

9、在最后一个自由度中，温度值保持在：不变，变化的温度为：* BOUNDER，幅度=amp-1节点，11，11，500，温度幅度由幅度曲线amp-1、1，1，t，0控制，幅度曲线，温度变化的共轭反应是热速率(热能以预设温度值进入节点的流速)，输出预设热流(热耗率)，节点的集中热流(与自由度11共轭)是振幅乘以关键字*CFLUX，*CFLUX，AMP=amp-1 FNODE，11，30，热耗率输出变量CFLn可以反映节点的当前值*CFLUX。分布式热通量(通过关键字*DFLUX或DSFLUCH应用，*DFLUX可应用于表面或物体* DSFLUCH只能应用于表面，*DFLUX，AMP=amp-1 EL

10、HOL，s1，300，* DSFLUCH，AMP=amp-1 SHOL，s，300，边界条件和载荷，3。边界层(薄膜)条件热传导中最常见的边界条件之一是自由表面被紧邻它的流体加热或冷却关键词*CFLIM，*薄膜和*SFILM用于定义边界层条件。-边界层系数H是ABAQUS的输入参数，尺寸： JL-2T-1Q-1-边界层系数的重要性：热传导的结果在很大程度上取决于该参数。通常，H是流体的雷诺数和流动温度的函数，但它也与表面条件如粗糙度、污垢和强取向有关，因此很难表征。通常，有必要通过实验校准来确定h的值。，薄膜，系数h，q，流体，温度q，*CFILM属性，名称=h1 11.6e-6，40 14.

11、2e-6，60 19.3e-6，80，定义h，h为温度q，边界条件和负载的函数，3 *CFILM NODESET，100。450，2.3E-3，*在二维情况下在一侧应用薄膜，在三维情况下在单元面应用薄膜ELSET，F3。450，2.3E-3，面积，温度，h，*，在二维情况下，将SFILM应用于面部。2.3E-3，温度，h，边界条件和负载，4。辐射到环境中，热传导中的另一个边界条件是黑体辐射，q=-a(T4-te4)，*辐射应用于节点，* CRADIATE NODESET，100。450，0.1，发射率(0 1 *辐射ELSET，R1。450，0.1，* SRADIATE应用于表面，* CRAD

12、IATE SURSET，R，450，0.1，单位表面数，定义辐射边界条件，需要定义斯特凡-玻尔兹曼常数和绝对零度，*物理常数，绝对零度=-273.16斯特凡玻尔兹曼=5.6697e-8，边界条件和载荷，4。辐射到环境中，发射率是一个衡量表面离理想黑体有多近的指标，一些常用材料的发射率：商业铝片： 0.09卫生氧化铝片： 0.2抛光金3360 0.02刷铁板： 0 0.6抛光红外板： 0 0.07翻转加热铸铁： 0 0.44 301型不锈钢3360 0.58红砖3360.999999999对环境的辐射，是否考虑辐射边界条件、薄膜、辐射、热通量、表面温度，0，200，100，te=室温(23)h=

13、10w/。温度越高，辐射现象、边界条件和载荷越强。5.自然边界条件，没有给定热流的表面和任何温度下的外部热流，默认条件是q=0通过表面，即没有热流通过表面：理想绝热条件，这是自然(无热负荷)边界条件，例如，当应用对称边界条件时，例如，稳态分析示例，二维热传导、x、A，B，C，D，E，0.2，传导率=52W/m/oC薄膜系数=750W/m2/oC边界条件3360=100oC沿AB热流=0沿DA对流至环境温度0oC沿BC和CD目标：在E处找到q目标溶液：在E处找到18.3oC，稳态分析示例，定义热导率，薄膜传热系数，传热条件，边界条件，稳态分析示例，二维传热，二维传热控制方程也必须通过时间积分来求解ABAQUS中瞬态固体传热的时间积分操作是基于后向差分算法的：-后向差分算法在：中非常精确且无条件稳定算法的稳定性非常重要，因为许多瞬态传热问题是在长时间内分析的。 (通常，必须达到稳态条件)，瞬态分析，瞬态传热是