ABAQUS热应力分析实例详解
ABAQUS热应力分析实例详解
热应力分析实例详解学习要点通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；实例1：带孔平板的热应力分析定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Expansion, 输入线胀系数定义边界条件——Load定义边界条件——Load定义边界条件——Load固支边界条件使用预定义场定义初始温度Load——PredefinedField Manager使用预定义场使模型温度升高至120℃网格划分——Mesh结果分析——Visualization小结在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数⏹定义初始温度场⏹定义分析步中的温度场实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。
◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的耐磨性。
实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。
法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5/ ℃。
要求：模拟分析感应淬火所产生的残余应力场，并分析此残余应力场在缓和应力集中方面所起的作用。
基于Abaqus的O形橡胶密封圈热应力分析
卢＝ａ （ ３ Ａ ＋ ２ Ｇ ）
２ 有 限 元 分 析
随 着 计 算 机 的 发 展 及 有 限元 分 析 软 件 （ 如
Ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ 和Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ ）的 开发 ，对 轮 胎 和橡 胶 制 品进
行 了越 来越 深入 的研 究 ；但 由于橡 胶 材料 的非 线 性 、几何 非线性 和边界 条件非线性 ，增加 了仿真模 拟难 度 。在此 ，以轮胎 和橡 胶制 品研 究 中常 用 的 Ｍｏ ｏ ｎ ｅ ｙ — Ｒ ｉ ｖ ｌ ｉ ｎ 模型为例 ，根据 变分原理 ，对 Ｏ 形橡 胶密封 圈进行不考虑温度 因素 的应力分 析及考 虑温 度 因素 的热应力分析 Ｊ 。
变 ，推 广到温 度场 中 ，即 ：
ｓ ：
吉 ［ — （ ＋ ） ］ ＋ ｆ ‘ ’
根据 Ｍｏ ｏ ｎ ｅ ｙ — Ｒ ｉ ｖ ｌ ｉ ｎ 模 型 ，用 硬度 求 弹性模 量 ， 密封 圈 参数 Ｃ。 ＝ １ ． ３ ８ ０ ，Ｃ ＝ ０ ． ３ ４ ５ ，线膨 胀 系数 为
要 意义 。 本 课题 在 弹性力 学理 论基 础上 ，运 用Ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ
的广义 虎克定律 ：
＝
２ Ｇ ｅ ｌ ＋ 九 一／ ３ ｔ
（ ２）
式 中 ，Ｐ 为体 积应 变 ；Ｇ 为 剪切模 量 ；Ａ为拉梅 常
数， 为热应力系数。
Ｅ讧
＝
有限元软件 对Ｏ 形橡胶密封 圈进行正 常工况下 的仿
．
ｂ Ｊ ＝ －
Ｗ
－／ Ｕ
Ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ 。 Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
２ ０ Ｉ ｊ年 第 ６期
ABAQUS热传导与热应力分析
q k
T x
Ta L
Q
A
Tb
Q qA kA
Tb Ta L
介绍 -- 比热 ，衡量物质储存热的能力 单位： J/M/℃
Qt Vc
时间增量 比热 温度增量
-- 一维热传导公式
2 c k 2 t x
1 2 2 t x
k c
h
*FILM SURSET， 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 *CRADIATE 施加在节点上 q = -A(T4 – Te4)
*CRADIATE NODESET， 100.， 450， 0.1
Emissivity（0~1）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11 2. 在某些点上或者某些表面上或者体积内预设热率 q *CFLUX, *DFLUX, *DSFLUX 3. 在某些点上或者某些表面上的边界层（薄膜）条件 *CFILM, *FILM 和 *SFILM 4. 在某些点上或者某些表面上的辐射条件 *CRADIATE, *RADIATE, 和 *SRADIATE 5. 自然边界条件(默认)
abaqus热传导应力分析详解学习教案
密度(mìdù)
比热
温度变化率
外部热量
内部热量
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第六页，共43页。
介绍(jièshào)
热传导分析(fēnxī)中的基本物理量
-- 温度(wēndù) Temperature 单位 ℃ -- 热能 Heat energy 单位 J -- 热率 Heat rate power 单位 J/t or W -- 热流量 Heat flux = Power per unit area 单位 J/t/L2
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第十页，共43页。
材料(cáiliào)热性质定义
•材料(cáiliào)的热性质在inp 中的 *MATERIAL 关键字定义
*MATERIAL,NAME=MATERIAL-1 *CONDUCTIVITY 1.0 *DENSITY 1.0 *SPECIFIC HEAT 1.0
材料热性质定义
*DFLUX， AMP= amp-1 ELHOL， S1， 300
q
*DSFLUX， AMP= amp-1
SHOL， S，
300
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第十七页，共43页。
边界条件与载荷(zài hè)
3. 边界层(薄膜)条件(tiáojiàn)
-- 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(cānshù)，量纲: JL-2T-1q-1 -- 边界层系数的重要性:
的。
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第十三页，共43页。
热传导单元(dānyuán)定义
ABAQUS热传导与热应力分析
hቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
*FILM SURSET， 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 *CRADIATE 施加在节点上 q = -A(T4 – Te4)
*CRADIATE NODESET， 100.， 450， 0.1
Emissivity（0~1） *RADIATE 施加在单元上
QI c q
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 Heat energy 单位 J -- 热率 Heat rate power 单位 J/t or W -- 热流量 Heat flux = Power per unit area 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:
*HEAT TRANSFER 瞬态分析(默认)
*HEAT TRANSFER, STEADY STATE 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。
*RADIATE ELSET， R1.， 450， 0.1
单元面编号 *SRADIATE 施加在面上
*CRADIATE SURSET， R.， 450， 0.1
定义辐射边界条件，需要定义Stefan-Boltzmann常数和绝对零度
ABAQUS热应力分析实例详解
热应力分析实例详解学习要点通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；实例1：带孔平板的热应力分析定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Expansion, 输入线胀系数定义边界条件——Load定义边界条件——Load定义边界条件——Load固支边界条件使用预定义场定义初始温度Load——PredefinedField Manager使用预定义场使模型温度升高至120℃网格划分——Mesh结果分析——Visualization小结在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数⏹定义初始温度场⏹定义分析步中的温度场实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。
◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的耐磨性。
实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。
法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5/ ℃。
要求：模拟分析感应淬火所产生的残余应力场，并分析此残余应力场在缓和应力集中方面所起的作用。
Abaqus学习之热传导与热应力分析
边界条件与载荷
1. 预设的温度 温度值不变:
*BOUNDARY TNODE， 11，
节点集 第一个 自由度
11，
最后个 自由度
500
温度
变化的温度:
*BOUNDARY, AMPLITUDE = amp-1 TNODE， 11， 11， 500
温度幅值
T 1 500
温度受幅值曲线 amp-1控制
0 1 t 0 1 t
ABAQUS 专题教程
——热传导和热应力分析 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
*PHYSICAL CONSTANTS, ABSOLUTE ZERO = -273.16 STEFAN BOLTZMANN = 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： Commercial aluminum sheet: 0.09 Heavily oxidized aluminum sheet: 0.2 Polished gold: 0.02 Rusted iron plate: 0.6 Polished iron plate: 0.07 Turned, heated cast iron: 0.44 Type 301 stainless steel: 0.58 Red brick: 0.93 Black shiny lacquer on iron: 0.88 White vamish: 0.09 Water: 0.95
Abaqus学习之热传导与热应力分析
Q I c q
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 Heat energy 单位 J -- 热率 Heat rate power 单位 J/t or W -- 热流量 Heat flux = Power per unit area 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:
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： Commercial aluminum sheet: 0.09 Heavily oxidized aluminum sheet: 0.2 Polished gold: 0.02 Rusted iron plate: 0.6 Polished iron plate: 0.07 Turned, heated cast iron: 0.44 Type 301 stainless steel: 0.58 Red brick: 0.93 Black shiny lacquer on iron: 0.88 White vamish: 0.09 Water: 0.95
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’’ = P – I -- 在热传导分析中， ABAQUS 求解 ‘能率守恒’ 方程并 确定温度的分布。
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热应力分析实例详解
学习要点
通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：
1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；
2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；
实例1：带孔平板的热应力分析
定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steel
Mechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比
定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steel
Mechanical——Expansion, 输入线胀系数
定义边界条件——Load
定义边界条件——Load
定义边界条件——Load
固支边界条件
使用预定义场定义初始温度
Load——Predefined
Field Manager
使用预定义场使模型温度升高至120℃
网格划分——Mesh
结果分析——Visualization
小结
在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数
⏹定义初始温度场
⏹定义分析步中的温度场
实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：
◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，
其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，
然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应
力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。
◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭
转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的
耐磨性。
实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。
法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料
的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，
线胀系数为1.35e-5/ ℃。
要求：模拟分析感应淬火所产生的残余
应力场，并分析此残余应力场在缓和应
力集中方面所起的作用。
建模要点说明
☐使用ABAQUS可以模拟感应淬火的完整过程，即通过分析工件与感应器之间以及工件和冷却液之间的传热过程来确定工件的温度场，从而得到相应的塑性应变场和冷却后的残余应力场。
这一模拟过程较复杂，下面介绍一种模拟残余应力的简化方法。
☐设置整个模型的初始温度为20℃，在分析步令淬硬层的温度升高至某一温度值T
(例如120℃)，其余区域温度仍保持20℃。
high
这种温度差异会使高温区产生压应力，相当于所要模拟的残余
，使法兰盘内圆角表压应力。
经几次试算即可找到合适的T
high
面的压应力与试验结果大致吻合。
施加工作载荷时，仍保持上述温度场不变，就可以模拟在残余应力作用下的应力场了。
☐上述方法的优点是比较简便，不必进行复杂的传热分析和热弹塑性分析，并且通用性强，可用于模拟各种不同工艺所产生的残余应力场，但其缺点是模拟精度不高，通过选择T
high
只能保证工件局部区域的压应力值较准确。
☐一种改进的方法就是为淬硬层的不同区域设定不同的温度
值T
high
，从而得到与试验结果更加接近的残余应力场。
☐本实例中，为简单起见，只为整个淬硬层设定单一的温度
值T
high =120℃。
建模要点说明
几何建模
CAD平面图
几何建模
Part
12mm
旋转轴
几何建模
几何建模
定义材料属性——Property
E=210 000
=0.3
Expansion=1.03e-5
网格划分——Mesh 淬硬层以外区域:
Element type: Hex-dominated Technique: Sweep
Algorithm: Advancing front
淬硬层:
Element type: Hex
Technique: Sweep
Algorithm: Medial axis
(选中Minimize the mesh transition)
设置分析步——step
⏹1）第一个分析步HighTemper-Noload: 令淬硬层区域温度升
高至120℃，其余区域温度仍保持20℃，不施加外载荷；
⏹2）第二个分析步HighTemper-WithLoad:保持上述温度场不
变（相应的残余应力也不会变），施加外载荷；
⏹3）第三个分析步LowTemper-WithLoad：令整个工件的温
度都变为20℃（即去掉残余应力），保持外载荷不变，从而得到没有残余应力时的应力场，用来与第二个分析步的结果相比较。
边界条件——Load 一端固定
边界条件——Load
施加载荷——Load
p=100MPa
定义温度场——Load
定义温度场——Load
淬硬层
2020
120120
后处理
1）查看残余应力的模拟结果
1）查看残余应力的模拟结果
第一个分析步σminiP = 416.17MPa
与残余压应力的试验结果420MPa 基本吻合！565号节点
2）分析残余压应力在缓解应力集中方面的作用
σ
minP = 276MPa
第一个分析步
560号节点
2）分析残余压应力在缓解应力集中方面的作用
第二个分析步：存在残余应力！
σ
= 412MPa
maxP
560号节点
2）分析残余压应力在缓解应力集中方面的作用
第三个分析步：没有残余应力！
σ
= 683MPa
maxP
560号节点
2）分析残余压应力在缓解应力集中方面的作用
最大主应力降低的量:
683MPa -412MPa = 271MPa，大致等于残余压应
力的值276MPa。
结论：
可见残余压应力显著降低了应力集中处的最大主应力！。