热力耦合单元
热力耦合单元
1 热力耦合分析简介
热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用，故属于耦合场分析问题。
与其他耦合场得分析方法类似，ANSYS提供了两种分析热应力的方法：直接法和间接法。
直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析结果；间接法则是先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。
2 直接法进行热应力分析单元
ANSYS运用直接法进行热应力分析主要采用耦合单元，其中包括热—应力耦合单元、热—应力—电和热—应力—磁耦合单元，表1显示了不同类型的热—应力耦合单元。
表1 ANSYS12.1常用的热耦合单元
3 间接法进行热应力分析单元
间接法一般是先采用常规热单元进行热分析，然后将热单元转换为响应的结构单元，并将求得的节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析，因此在整个分析过程中存在热单元与结构单元的转换问题，表2列出了热单元与响应的结构单元的对应关系。
表2 热单元与结构单元的转换表。
电池组热力耦合分析
电池组热力耦合分析本例展示基于热-结构耦合的热力耦合分析。
1 问题设定一块电池组，尺寸为70mm x 175mm x 400mm。
对模型进行适当简化，保留主体电芯和PC部分，约束电池组底部Z方向，电芯部分给定生热源，电池组外表面给定自然对流散热边界条件，模拟电池组温度变化和应力变化。
由于需要进行实时热力耦合分析，因此电池，PC材料等采用实体建模，设定相关的coupling耦合单元和tie约束，建立电芯和PC材料之间的接触关系（包括热接触）。
本案例用到的附件包括：Battery1003_heat.cae 稳态热力耦合分析2 分析过程一般来说，针对热力学问题，通常有顺序耦合和完全耦合两种方法。
顺序耦合是先进行热传导分析，得到温度分布结果，然后把温度分布结果映射到结构分析模型上。
完全耦合则是直接在abaqus中直接给建立的coupled temp-displacement分析步，完全实时同步计算温度变化和应力变化，并可考虑温度和结构变形之间的互相影响。
2.1 有限元计算2.1.1 几何处理在CAD软件中进行简单处理后，导入Abaqus中，需要对零件进行几何清理和修复，删除不必要的细节特征。
2.1.2 赋予材料属性根据不同材料电池，PC等赋予相应的材料参数，注意因为这里需要进行完全热力耦合分析，因此材料参数必须同时具有力学参数和热学参数，包括：密度，弹性模量，泊松比，塑性曲线，热膨胀系数，热导率，比热等，如下图所示：2.1.3 模型装配在Abaqus中装配的模型，通在CAD软件中装配位置关系完全一致。
如果在CAD软件中已经装配即可。
这里由于单个电池芯模型一致，因此为减小前处理工作量，在Abaqus 中对单个电芯进行阵列处理，后期只需要分析修改单个电芯模型，整个装配体所有电芯模型自动更新。
2.1.4 定义相互作用根据模型需要，定义相关接触关系和耦合约束等等。
如下所示：定义接触属性：在Interaction模块，点击Create Interaction property，选择contact，进入Edit contact property窗口，分别定义Tangential behavior 中设定0.1的摩擦系数，以及Thermal conductance 中的接触热传导参数，如下图所示：自动搜索接触对: 由于需要考虑电芯和PC材料之间的接触和接触热传导，而电芯数量较多，如果单独制定面面接触，需要较大工作量，因此可以采用Abaqus/CAE中较为方便的自动搜索接触对功能。
热力耦合单元介绍
热力耦合分析单元简介SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。
本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。
在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。
在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。
与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。
INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。
具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。
所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。
使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。
使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。
PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。
由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。
具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。
具有大变形和应力钢化功能。
当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。
LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。
每个节点有一个自由度。
可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。
允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。
发射率可与温度相关。
如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。
LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。
如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
LINK33－三维传导杆用于节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
abaqus热力耦合单元类型
abaqus热力耦合单元类型（最新版）目录1.Abaqus 热力耦合单元概述2.Abaqus 热力耦合单元的类型3.应用实例正文一、Abaqus 热力耦合单元概述Abaqus 是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以解决各种复杂的热力学问题。
在 Abaqus 中，热力耦合单元是用于模拟热和力同时作用的部件，可以分析材料的热膨胀、热应变等现象。
通过热力耦合单元，工程师可以更好地了解材料的热力学性能，从而优化产品的设计和制造过程。
二、Abaqus 热力耦合单元的类型Abaqus 热力耦合单元主要有以下几种类型：1.热膨胀单元（Thermal Expansion Element）：这种单元主要用于模拟材料在温度变化时的线性热膨胀。
它可以分析材料在不同温度下的应变、应力等性能。
2.热应变单元（Thermal Strain Element）：这种单元用于模拟材料在温度变化时的非线性热应变。
它可以分析材料在不同温度下的应变、应力等性能。
3.热应力单元（Thermal Stress Element）：这种单元用于模拟材料在温度变化时的热应力。
它可以分析材料在不同温度下的应力、应变等性能。
4.耦合热应力单元（Coupled Thermal Stress Element）：这种单元可以同时考虑热应力和热膨胀两种效应。
它可以分析材料在不同温度和应力下的性能。
三、应用实例Abaqus 热力耦合单元在许多工程领域都有广泛的应用，例如：1.航空航天领域：在航空航天领域，热力耦合问题非常常见，例如发动机叶片、机身结构等部件都需要承受高温和高应力的作用。
通过使用Abaqus 热力耦合单元，工程师可以更好地了解这些部件在实际使用过程中的性能。
2.机械制造领域：在机械制造领域，热力耦合问题同样重要。
例如，在轴承、齿轮等部件的制造过程中，由于热处理和装配等原因，会产生热应力和热膨胀现象。
通过使用 Abaqus 热力耦合单元，工程师可以预测这些现象，从而优化设计和制造过程。
热力耦合coupling
热力耦合coupling热力耦合（Coupling of Heat and Power）是一种将热能和动力能够有效地结合起来利用的技术。
通过将热能和动力能耦合在一起，可以实现能源的高效利用，提高能源利用效率，同时减少能源的浪费和环境污染。
热力耦合的基本原理是将热能和动力能够相互转换并互相补充。
在传统的能源利用中，热能和动力能往往是分开利用的，即通过燃烧燃料产生热能，再通过热能发电机来产生动力能。
这种方式存在能源转化效率低、能源浪费和环境污染等问题。
而热力耦合技术则可以将热能和动力能够结合在一起利用，使得能源的利用效率大大提高。
热力耦合的具体实现方式有很多种，其中比较常见的方式是利用余热发电和余热回收。
余热发电是指在工业生产过程中产生的废热通过热能发电机转换为动力能。
在传统的工业生产中，许多工艺过程会产生大量的废热，这些废热往往直接排放或者通过冷却方式散发，造成了能源的浪费。
而通过余热发电技术，可以将这些废热收集起来，通过热能发电机转换为动力能，从而实现能源的高效利用。
余热回收是指在工业生产过程中产生的废热通过热交换器回收利用。
在许多工业生产过程中，会产生大量的废热，这些废热往往通过烟气、废水等形式排放，造成了能源的浪费。
而通过热交换器，可以将这些废热与其他物质进行热量交换，使得废热的热能被有效利用。
比如在电厂的锅炉中，通过烟气热交换器可以将烟气中的废热回收利用，用于加热锅炉的进水，从而减少了燃料的消耗。
热力耦合技术的应用可以极大地提高能源的利用效率。
通过将热能和动力能够耦合在一起利用，可以实现能源的高效利用，提高能源的利用效率。
同时，热力耦合技术还可以减少能源的浪费和环境污染。
通过将废热回收利用，可以减少废热的排放，降低对环境的影响。
通过将废热转化为动力能，可以减少对化石燃料的需求，从而减少对环境的破坏。
在实际应用中，热力耦合技术已经得到了广泛的应用。
在电力、冶金、化工、纺织等许多行业中，都可以看到热力耦合技术的应用。
TMG_热耦合(中文)
对于热传导的典型热耦合模型，只连接重叠单元 (Only connect overlapping elements – 图 B) 更为合适。对于对流或辐射的热耦合模型，必须使用能够反映 物理想象的选项。
使用热耦合的注意事项
在使用热耦合时，要考虑以下情况： 当传热相对于单元的面内热传导很小时，热耦合更加精确和可靠。 当主单元与次级单元之间的传热相对于单元的面内热传导很小时，热耦合更
其中 ε1 和 ε2 分别是主单元和次级单元的发射率。
在创建辐射热耦合时，忽略单元的方向以及反面的材料特性。如果需要对具有与正 面不同发射率的反面建立辐射，必须调整 GBVF 以考虑其不同。
对正反面具有不同发射率的表面建模的一种替代的方法是：为主单元创建一个 反面实体。
在反面实体上定义第二种发射率。然后在反面实体与次级单元之间创建热耦合。 Series Area-Proportional – 与面积成比例的串连热耦合 在主单元和次级单元之间已有的传热上串连一个传热 G = h x A。 Series Absolute – 串连的绝对传热 在主单元和次级单元之间已有的传热上串连一个绝对传热 h。
User defined – 用户定义 用户定义关系由一个 USERF 子程序提供。参考模型求解部分的 USERF 子程序 说明。 Resistance – 热组 在主单元和最靠近的次级单元之间创建一个热传导阻抗或 1/传热。阻抗值按照 面积比分配给主单元。总得阻抗值以 度/热流 (degrees per heat flow) 表示。 1-Way Coefficient – 单路系数 单路系数 (1-Way Coefficient) 在主单元和次级单元之间创建一个单向的传 热，以面积为基础。
理解热耦合
为了建立热耦合，TMG 首先根据所选择的热耦合精度将各主单元划分为子单元。 对每一个主单元的子单元，创建向最靠近的次级单元的传热： Gi = h x dA。最靠 近的次级单元通过跟踪由主-子单元中心出发而垂直于子单元的射线来确定，选择与 该射线相交的第一个子单元。在对所有子单元建立耦合后，TMG 将它们合并为单个 单元并将所有平行的传热结合起来。结果是一个与面积成比例的热耦合，它根据重 叠的情况分配到次级单元上。 默认的，从主-子单元到最靠近的次级单元的传热如图 A 所示。使用只连接重叠单 元 (Only connect overlapping elements) 选项指定只对与主-子单元法向相交的 次级单元建立热耦合。对于与主-子单元法向不相交的次级单元没有传热，如图 B 所 示。
TMG_热耦合(中文)
使用热耦合来创建不同网格之间与面积成比例的热传导。执行时，建立由主单 元向次级单元的热传导；两组单元不必对齐。可以指定多种不同的热传导，其中多 数可以定义为在求解时随着不同的模型参数而改变。
图标位置：
热耦合ห้องสมุดไป่ตู้单元类型 实体单元
不能用于热耦合 壳体单元
可以用作主单元或次级单元 用 TMG 计算表面面积 梁单元 可以用作主单元或次级单元 表面积由梁的截面特性得到 忽略表面积为零的梁，即使是次级单元 集中质量 可以用作主单元或次级单元 表面积按定义集中质量单元的物理属性时给定的球的直径计算 流体单元 只能用作次级单元 非结构单元 只能用作次级单元
理解热耦合
为了建立热耦合，TMG 首先根据所选择的热耦合精度将各主单元划分为子单元。 对每一个主单元的子单元，创建向最靠近的次级单元的传热： Gi = h x dA。最靠 近的次级单元通过跟踪由主-子单元中心出发而垂直于子单元的射线来确定，选择与 该射线相交的第一个子单元。在对所有子单元建立耦合后，TMG 将它们合并为单个 单元并将所有平行的传热结合起来。结果是一个与面积成比例的热耦合，它根据重 叠的情况分配到次级单元上。 默认的，从主-子单元到最靠近的次级单元的传热如图 A 所示。使用只连接重叠单 元 (Only connect overlapping elements) 选项指定只对与主-子单元法向相交的 次级单元建立热耦合。对于与主-子单元法向不相交的次级单元没有传热，如图 B 所 示。
User defined – 用户定义 用户定义关系由一个 USERF 子程序提供。参考模型求解部分的 USERF 子程序 说明。 Resistance – 热组 在主单元和最靠近的次级单元之间创建一个热传导阻抗或 1/传热。阻抗值按照 面积比分配给主单元。总得阻抗值以 度/热流 (degrees per heat flow) 表示。 1-Way Coefficient – 单路系数 单路系数 (1-Way Coefficient) 在主单元和次级单元之间创建一个单向的传 热，以面积为基础。
压力容器热力耦合的有限元分析
压力容器热力耦合的有限元分析摘要：实际工程中，压力容器除了承受机械应力外，还要承受波动温度条件下由于温度分布不均匀而产生的热应力。
在压力容器实际运行时，特别是在启动、停止过程中，结构所受的瞬态温度变化显著，由此带来的温度应力则会达到较大的数值，能够使得设备结构产生强度破坏。
因此，准确地确定结构的瞬态温度场、耦合热应力以及部件问的热传递规律是具有实际意义和工程价值的课题。
本文就此展开了论述，以供参阅。
关键词：压力容器;热力耦合;有限元分析1传导问题的有限元分析1.1三维瞬态温度场问题的一般表达格式在一般三维问题中，瞬态温度场的场变量Ф(x，y，z,t)在直角坐标系中应满足的微分方程是：上式中，JD是材料密度(kg／m3)；c是材料比热容(J／kg·K)；t是时间(s)：kx，ky，kz也是材料沿物体三个主方向(x，y，z)方向的导热系数(w／(m·K))；Q=Q(x，y，z,t)是物体内部的热源密度(w／kg)；nx，ny，nz是边界外法线的方向余弦；Ф=Ф(Γ，t)是在Γ1边界上的给定温度；q=q(Γ，t)是在边界Γ2上的给定热流密度(w／m2)；h是对流换热系数(W／m2·K)。
；Фa=Фa(Γ，t)，对于尼边界，在自然对流条件下，Фa是外界温度环境；在强迫对流的条件下，Фa是边界层的绝热壁温度。
微分方程式(1)是热量平衡方程，其表明，微体升温所需的热量应与传入微体的热量以及微体内热源产生的热量相平衡。
(2)式是在E边界上给定温度Ф(Γ，t)，称为第一类边界条件，它是强制边界条件。
(3)式是在如边界上给定热流量q(Γ，t)，称为第二类边界条件。
(4)式是在Γ3边界上给定对流换热的条件，称为第三类边界条件。
Γ1+Γ2+Γ3=Γ是域力内的全部边界条件。
1.2结构耦合热应力的求解思想热应力实际上是热和应力两个物理场相互作用的结果，属于耦合场分析的范畴。
在有限元热应力分析中，通常有两种方法，一种是顺序耦合法，另一种是直接耦合法。
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1 热力耦合分析简介
热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用，故属于耦合场分析问题。
与其他耦合场得分析方法类似，ANSYS提供了两种分析热应力的方法：直接法和间接法。
直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析结果；间接法则是先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。
2 直接法进行热应力分析单元
ANSYS运用直接法进行热应力分析主要采用耦合单元，其中包括热—应力耦合单元、热—应力—电和热—应力—磁耦合单元，表1显示了不同类型的热—应力耦合单元。
表1 ANSYS12.1常用的热耦合单元
3 间接法进行热应力分析单元
间接法一般是先采用常规热单元进行热分析，然后将热单元转换为响应的结构单元，并将求得的节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析，因此在整个分析过程中存在热单元与结构单元的转换问题，表2列出了热单元与响应的结构单元的对应关系。
表2 热单元与结构单元的转换表。