熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析詳解

熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析詳解第一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第一講：固體熱傳導(dǎo)介紹概述介紹分析過(guò)程材料熱性質(zhì)ABAQUS/Standard中的熱傳導(dǎo)單元庫(kù)邊界條件和載荷穩(wěn)態(tài)分析瞬態(tài)分析非線性分析第二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三介紹--ABAQUS主要是用來(lái)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(wèn)題。

——熱傳導(dǎo)求解能力是從求解熱應(yīng)力問(wèn)題中發(fā)展出來(lái)的第三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三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(zhǎng)

--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“接觸表面”有熱流動(dòng)

--可以方便的將溫度場(chǎng)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)功能介紹第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三介紹ABAQUS不能做什么

——ABAQUS不是專(zhuān)業(yè)熱傳導(dǎo)分析軟件無(wú)流體分析無(wú)自由對(duì)流無(wú)浮力驅(qū)使流動(dòng)對(duì)熱沖擊問(wèn)題無(wú)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分無(wú)逆?zhèn)鳠岱治龅谖屙?yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三介紹力平衡與能量守恒之間的類(lèi)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?jī)?nèi)部熱量第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三介紹熱傳導(dǎo)分析中的基本物理量--溫度Temperature單位℃--熱能Heatenergy單位J--熱率Heatratepower單位J/torW--熱流量Heatflux=Powerperunitarea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:TaTbALQ第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三介紹--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)散率第八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三介紹--類(lèi)比StressHeat第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三分析過(guò)程在ABAQUS/Standard中，熱傳導(dǎo)分析的執(zhí)行是通過(guò)將幾何體離散成擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元，并且使用*HEATTRANSFER過(guò)程選項(xiàng) *HEATTRANSFER瞬態(tài)分析(默認(rèn)) *HEATTRANSFER,STEADYSTATE穩(wěn)態(tài)分析在ABAQUS/Explicit中，沒(méi)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(guò)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。第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三材料熱性質(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(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(wèn)題。--熱傳導(dǎo)率也可以是任意數(shù)量預(yù)設(shè)的場(chǎng)變量的函數(shù)--預(yù)設(shè)場(chǎng)變量相關(guān)的材料性質(zhì)不會(huì)涉及非線性，ABAQUS使用簡(jiǎn)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(chǎng)變量設(shè)置包括的預(yù)設(shè)場(chǎng)變量數(shù)量比熱：*SPECIFICHEAT,--比熱可以定義為隨溫度與場(chǎng)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(chǎng)變量變化第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三熱傳導(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(kù)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(duì)稱(chēng)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qABAQUS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(chǎng)變量的函數(shù)該單元可以在ABAQUS/Explicit中使用第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三殼單元一階和二階插值用于軸對(duì)稱(chēng)單元(DSAX1,DSAX2)和三維（DS3，DS4，DS6，DS8）應(yīng)用的殼單元包含有單元庫(kù)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(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。nNT11NT12NT13--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。第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三熱傳導(dǎo)單元定義復(fù)合材料殼單元材料1材料1材料1材料1t1t2t3t4多層復(fù)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(diǎn)數(shù))，材料名，材料方向參考的orientation名稱(chēng)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(chēng)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(chēng)…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)量必須相等第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷邊界條件應(yīng)力分析中，每個(gè)自由度都有一對(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(méi)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)上或者某些表面上的輻射條件 *CRADIATE,*RADIATE,和*SRADIATE 5.自然邊界條件(默認(rèn))第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷1.預(yù)設(shè)的溫度*BOUNDARYTNODE，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-1TNODE，11，11，500溫度幅值溫度受幅值曲線amp-1控制11t0幅值曲線變化的溫度5001t0T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第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷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(guò)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(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(guò)關(guān)鍵字*DFLUX或DSFLUX施加q*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第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件--熱傳導(dǎo)中最常見(jiàn)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(lái)確定h的取值。Film,coefficienthq流體，溫度q*FILMPROPERTY,NAME=H111.6E-6,4014.2E-6,6019.3E-6,80定義hh是溫度q的函數(shù)第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷3.邊界層(薄膜)條件*CFILM施加在節(jié)點(diǎn)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，F(xiàn)3.，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(xiàn).，450，2.3E-3溫度h第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷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)*CRADIATE施加在節(jié)點(diǎn)上*CRADIATENODESET，100.，450，0.1Emissivity（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(hào)定義輻射邊界條件，需要定義Stefan-Boltzmann常數(shù)和絕對(duì)零度

*PHYSICALCONSTANTS,ABSOLUTEZERO=-273.16STEFANBOLTZMANN=5.6697E-8第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷4.向環(huán)境的輻射輻射率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：Commercialaluminumsheet:0.09Heavilyoxidizedaluminumsheet:0.2Polishedgold:0.02Rustedironplate:0.6Polishedironplate:0.07Turned,heatedcastiron:0.44Type301stainlesssteel:0.58Redbrick:0.93Blackshinylacqueroniron:0.88Whitevamish:0.09Water:0.95第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷4.向環(huán)境的輻射是否需要考慮輻射邊界條件FilmRadiationHeatfluxSurfacetemperature0200100Te=Roomtemp(23oC)h=10W/m2/oC輻射率=1溫度越高，輻射現(xiàn)象越強(qiáng)第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三邊界條件與載荷5.自然邊界條件在任何溫度下沒(méi)有給定熱流并沒(méi)有外部熱流的表面，默認(rèn)條件是通過(guò)表面q=0,即沒(méi)有通過(guò)表面的熱流：理想絕熱條件這是自然（無(wú)熱載荷）邊界條件，用于諸如施加對(duì)稱(chēng)邊界條件的時(shí)候，如外部熱源溫度800oC內(nèi)部熱源溫度400oC第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCFilmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatE第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例定義熱傳導(dǎo)率定義薄膜換熱系數(shù)換熱條件邊界條件第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三穩(wěn)態(tài)分析實(shí)例二維熱傳導(dǎo)第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(tài)分析--有限元方法將問(wèn)題在空間中離散化，對(duì)于瞬態(tài)傳熱問(wèn)題，控制方程也必須通過(guò)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(wú)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(wèn)題是在長(zhǎng)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）第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(tài)分析--瞬態(tài)傳熱是擴(kuò)散主導(dǎo)的過(guò)程在對(duì)一些對(duì)外界條件改變的響應(yīng)中，開(kāi)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(guò)程具有這種邏輯上內(nèi)建的期望響應(yīng)類(lèi)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(gè)過(guò)程中具有一致的精確性。第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)例子xy1.00.5ABCDE0.2Conductivity=52W/m/oCSpecificheat=434J/kg/oCDensity=7832kg/m3Filmcoefficient=750W/m2/oCBoundaryconditions:=100oCCalongABHeatflux=0alongDAConvectiontoambienttemperatureof0oCalongBCandCDObjective:FindqatETargetsolution:18.3oCatEatsteadystate.瞬態(tài)分析第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(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第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(tài)分析第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(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(guò)控制餓過(guò)程中，溫度在每個(gè)時(shí)間最大允許的溫度變化值，來(lái)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(lái)滿足DELTMAX的設(shè)定。--如果計(jì)算過(guò)程中都能夠滿足DELTMAX,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(lái)兼顧計(jì)算精度和效率--瞬態(tài)傳熱分析可以通過(guò)設(shè)定當(dāng)溫度變化小于設(shè)定值時(shí)停止計(jì)算第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(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(gè)初始的溫度分布如果沒(méi)有給定初始值，abaqus的默認(rèn)初始溫度為0第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三瞬態(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(guò)程的近似離散中，非常重要的一個(gè)問(wèn)題是初始時(shí)間增量的選擇?？臻g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)間增量步太小，將會(huì)產(chǎn)生很多無(wú)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第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三非線性分析--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，求解非線性問(wèn)題的方程：第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三熱“接觸”--熱量通過(guò)接觸界面?zhèn)鲗?dǎo)通過(guò)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)它具有零比熱第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三熱“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。第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三熱“接觸”--熱量可以通過(guò)以下方式穿過(guò)界面 1.熱傳導(dǎo)，定義間隙熱傳導(dǎo)系數(shù)*GAPCONDUCTANCE 2.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(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?/p>

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)系屬性時(shí)需要用熱