熱傳導與熱應力分析(ppt).ppt

ABAQUS專題教程 熱傳導和熱應力分析 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 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 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(guān) 熱 接觸 允許在 接觸表面 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 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(qū)使流動對熱沖擊問題無自適應網(wǎng)格劃分無逆?zhèn)鳠岱治?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 介紹 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Heatrate power單位J torW 熱流量Heatflux Powerperunitarea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 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 介紹 類比 Stress Heat 分析過程 在ABAQUS 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 HEATTRANSFER過程選項 HEATTRANSFER 瞬態(tài)分析 默認 HEATTRANSFER STEADYSTATE 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(shè)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 材料熱性質(zhì)定義 材料的熱性質(zhì)在inp中的 MATERIAL關(guān)鍵字定義 MATERIAL NAME MATERIAL 1 CONDUCTIVITY1 0 DENSITY1 0 SPECIFICHEAT1 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(shè)的場變量的函數(shù) 預設(shè)場變量相關(guān)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 CONDUCTIVITY DEPENDENCIES 163 0 20 16070 5 200 200 INITIALCONDITIOINS TYPE FIELD VAR 1NALL 160 STEP FIELD VARIABLE 1 AMPLITUDE TIMEVARNALL 180 ENDSTEP 材料熱性質(zhì)定義 溫度 場變量 設(shè)置包括的預設(shè)場變量數(shù)量 比熱 SPECIFICHEAT 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 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qABAQUS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 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 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(gòu)建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 SHELLSECTION中定義 SHELLSECTION COMPOSITELAYER1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 邊界條件與載荷 邊界條件 應力分析中 每個自由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(shè)溫度 BOUNDARY 自由度112 在某些點上或者某些表面上或者體積內(nèi)預設(shè)熱率q CFLUX DFLUX DSFLUX3 在某些點上或者某些表面上的邊界層 薄膜 條件 CFILM FILM和 SFILM4 在某些點上或者某些表面上的輻射條件 CRADIATE RADIATE 和 SRADIATE5 自然邊界條件 默認 邊界條件與載荷 1 預設(shè)的溫度 BOUNDARYTNODE 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 1TNODE 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(shè)溫度值的節(jié)點的流通率 輸出變量 RFLn 邊界條件與載荷 2 預設(shè)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(guān)鍵字 CFLUX施加 CFLUX AMP amp 1FNODE 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(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 1ELHOL S1 300 DSFLUX AMP amp 1SHOL S 300 邊界條件與載荷 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(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(jié)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(guān) 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 coefficienth q 流體 溫度q FILMPROPERTY NAME H111 6E 6 4014 2E 6 6019 3E 6 80 定義h h是溫度q的函數(shù) 邊界條件與載荷 3 邊界層 薄膜 條件 CFILM施加在節(jié)點上 CFILMNODESET 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 FILMELSET F3 450 2 3E 3 面積 溫度 h 溫度 h SFILM二維情況下施加在面上 FILMSURSET F 450 2 3E 3 溫度 h 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 CRADIATE施加在節(jié)點上 CRADIATENODESET 100 450 0 1 Emissivity 0 1 RADIATE施加在單元上 RADIATEELSET R1 450 0 1 SRADIATE施加在面上 CRADIATESURSET 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 PHYSICALCONSTANTS ABSOLUTEZERO 273 16STEFANBOLTZMANN 5 6697E 8 邊界條件與載荷 4 向環(huán)境的輻射 輻射率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 Commercialaluminumsheet 0 09Heavilyoxidizedaluminumsheet 0 2Polishedgold 0 02Rustedironplate 0 6Polishedironplate 0 07Turned heatedcastiron 0 44Type301stainlesssteel 0 58Redbrick 0 93Blackshinylacqueroniron 0 88Whitevamish 0 09Water 0 95 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 Heatflux Surfacetemperature 0 200 100 Te Roomtemp 23oC h 10W m2 oC輻射率 1 溫度越高 輻射現(xiàn)象越強 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 穩(wěn)態(tài)分析實例 二維熱傳導 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 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 穩(wěn)態(tài)分析實例 二維熱傳導 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 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過程中具有一致的精確性 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 oCSpecificheat 434J kg oCDensity 7832kg m3Filmcoefficient 750W m2 oCBoundaryconditions 100oCCalongABHeatflux 0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective FindqatETargetsolution 18 3oCatEatsteadystate 瞬態(tài)分析 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 瞬態(tài)分析 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(shè)定 如果計算過程中都能夠滿足DELTMAX 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(shè)定當溫度變化小于設(shè)定值時停止計算 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)傳熱分析中的Initialconditions可以再瞬態(tài)傳熱分析之前 設(shè)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 瞬態(tài)分析 最小可用時間增量步設(shè)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(guān)系是 如果一個時間增量步太小 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(jié)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 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 求解非線性問題的方程 熱 接觸 熱量通過接觸界面?zhèn)鲗ㄟ^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(shè)它具有零比熱 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(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 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) GAPCONDUCTANCE2 熱輻射 定義間隙熱輻射率 GAPRADIATION 通常以上兩種傳熱模式都存在 它們的相對重要關(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(guān)系屬性時需要用熱的條件