Abaqus实例教程——交叉管的热分析
ABAQUS热应力分析实例详解[整理]
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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；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。
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。
Abaqus热分析实验报告
(一)创建部件1：模块：部件2：点击创建部件工具，弹出创建部件对话框名称：CUP模型空间：三维类型：可变形形状：实体类型：旋转大约尺寸：2003：点击继续，进入草绘模式，首先应当绘制一条构造线，然后为旋转实体绘制如下截面草图4：点击完成，选择上一步创建的构造线作为中心线，弹出编辑旋转对话框，将角度修改为360度5：点击确定，旋转的结果如下（二）定义材料和截面属性1：模块：属性2：点击创建材料工具，弹出编辑材料对话框名称：steel通用→密度，将密度修改为7.85e-9力学→弹性→弹性，将杨氏模量修改为2.1e5，泊松比改为0.3热学→传导率，将传导率修改为36热学→比热，将比热修改为9e8点击确定3：点击创建截面工具名称：Section-1类别：实体类型：均质4：点击继续，弹出编辑截面对话框，材料为steel，点击确定5：点击指派截面工具，框选整个模型为要指派截面的区域6：点击完成，弹出编辑截面指派对话框，选取默认设置，点击确定（三）生成装配件1：模块：装配2：点击创建实例工具，弹出创建实例对话框，选取默认设置，点击确定（四）定义分析步1：模块：分析步2：点击创建分析步工具，弹出创建分析步对话框名称：Step-1程序类型：通用（热传递）3：点击继续，弹出编辑分析步对话框，将响应修改为稳态，点击确定(五)定义相互作用1：模块：相互作用2：点击相互作用管理器工具，弹出相互作用管理器对话框，点击创建，弹出创建相互作用对话框名称：Int-1分析步：Step-1类型：表面热交换条件点击继续，选择如下外圆面点击完成，弹出编辑相互作用对话框膜层散热系数：10e-3环境温度：20点击确定，结果如下图示：3：按照上述类似方法，定义其他4个相互作用关闭相互作用管理器，完成相互作用的定义（六）网格划分为了便于进行网格划分，先对部件进行分区1：模块：部件2：点击拆分几何元素：定义切割平面工具，选择一点及法线指定平面选择下图示一点及法线指定分割平面点击创建分区，完成拆分，结果如下图3：模块：网格对象：部件4：点击为边布种工具，框选整个部件为要布置局部种子的区域5：点击完成，弹出局部种子对话框，将近似单元尺寸修改为5，其余地方选用默认设置，点击确定6：点击指派网格控制属性工具，框选整个部件7：点击完成，弹出网格控制属性对话框，按如下设置，点击确定单元形状：六面体技术：扫掠算法：进阶算法8：点击指派单元类型工具，框选整个部件，点击完成，弹出单元类型对话框，将分析类型修改为热传递，点击确定9：点击为部件划分网格工具，点选是确定为部件划分网格结果如下图（七）创建作业1：模块：作业2：点击作业管理器工具，弹出作业管理器对话框3：点击创建，弹出创建作业对话框4:点击继续，弹出编辑作业对话框，选取默认设置，点击确定5：点击提交，提交作业6：运行过程中，可以点击监控，查看运行状态7：点击结果，进入可视化模块，并在变形图上绘制云图，结果如下。
ABAQUS应用培训-07 热分析实例
7. Mesh：seed part，mesh part, *** Assign element type: heat tr.. 根据傅里叶定律，解析解：
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2015/7/5
7
ABAQUS传热分析-瞬态热分析
在稳态分析模型的接触上，做出如下修改
1. 2. 3. Material：conductivity 80W/(Cmm),Density,2.7e-9,Special heat 0.8 Step：Heat transfer Transient, time 0.00001
求解传热问题的提法为，在满足边界条件及初始条件的许可温度场中，真 实的温度场使以下泛函 I 取极小值，即
BC S1 , S 2 , S 3 T IC
min
I
1 T 2 T T T x ( ) y ( ) 2 z ( ) 2 2( Q cT )T d 2 x y z t
Fourier传热定律 能量守恒定律
控制方程
6
3
传热过程的基本方程
• Fourier定律：单位时间内通过单位截面积所传递的热量（热流密度， Heat Flux）正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率（梯度），热 量传递的方向与温度升高的方向相反。
q k
t x
k为导热系数或热导率[W/(oC▪m)]
1
T 2 T 2 T 2 1 2 x ( x ) y ( y ) z ( z ) d S2 q f TdA 2 S3 hc T T dA
11
稳态传热过程的有限元分析列式
将物体离散为单元体，将单元的温度场表示为节点温度的插值关系，有
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abaqus热分析
热分析:
1977年在日本京都召开的国际热分析协会(ICTA, International Conference on Thermal Analysis)第七次会议对热分析进行了如下定义：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术。
最常用的热分析方法有：差(示)热分析(DTA)、热重量法(TG)、导数热重量法(DTG)、差示扫描量热法(DSC)、热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)等。
热分析技术在物理、化学、化工、冶金、地质、建材、燃料、轻纺、食品、生物等领域得到广泛应用。
abaqus热分析:
首先在三维软件里面建立相应的几何模型，可以根据实际情况建立给这个几何模型赋予相应的材料书属性，赋完材料和属性之后几何模型会相应的改变颜色，呈现绿色。
需要注意的是，材料的属性中需要包含杨氏模型，泊松比还有热膨胀系数，如果有相应的试验值，最好能够填上试验值。
建立载荷步，类型选择为静态（static）和通用（general）
之后进入load模块进行边界条件的设置，如图所示约束住模型的上边缘的所有自由度
之后还是在这个模块进行预定义场的设置，将初始温度改成室温20℃
为了实现温度的变化情况，我们需要点击第3步中建立的载荷步，点击modified，然后将该载荷步下的温度改为120℃
在mesh模块进行网格划分，采用结构化的四边形网格，划分完网格之后就可以进行分析了
进入到job模块，直接submit我们的工作文件，等到status 显示complete就表示分为完成了，我们可以直接点击submit下方的result或者进入visualization这个模块进行后处理的观察。
这样我们就完成了平板升温时的变形情况。
abaqus热分析
ABAQUS 热分析常用概念介绍热传递通过热传导、对流和热辐射三种方式实现。
热传导是热量重系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象。
模型中有两种方式实现，共点网格和接触对。
热阻系数=空气热传导率/空气间隙。
对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程，对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显，对流分为自然对流和强迫对流。
辐射是物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领。
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 = Powerper unit area单位J/t/L2 材料参数介绍1. CONDUCTIVITY 热传导率用于度量热量在材料中流动的难易程度：单位：W/m/℃在热传递分析中，传导率为必需的材料属性。
2. SPECIFIC HEAT 比热用于度量热能在材料中存储的难易程度：单位：J/Kg/℃3. Emissivity辐射率是衡量一个表面有多接近理想黑体的指标（0~1）。
边界条件与载荷介绍边界条件与载荷，在热传导分析中，每个自由度的共轭变量为温度-热率（单位时间的能量流）。
1. 预设的温度*BOUNDARY，包括两种，恒定温度和变化的温度，温度的共轭反作用是热率（热能进入一个已经预设温度值的节点的流通率）。
2. 预设热流量（热率），*CFLUX,节点的集中热流量；*DFLUX，施加在面或体上的分布热流量,*DSFLUX施加在面上的分布热流量。
3. 预设边界层条件最常见的一种边界条件为一个自由表明被紧临的流体加热或降温，关键字*CFILM,施加在节点上；*FILM二维中施加在单元边上，三维中施加在单元面上；*SFILM二维中施加在单元边上；边界层系数h是ABAQUS的一个输入参数，量纲：J/L2*T*θ。
ABAQUS热分析
NT12 NT11
-- 壳单元表面下方的温度自由度为11（输出变量为NT11） -- 在正表面的温度自由度为 10+n, n 为壳截面上使用截面点的数量 -- 在单层（均质）壳中，截面点在厚度上均匀分布，默认为5个点 -- 每层壳必须是奇数个截面点，这是由 ABAQUS/standard 在厚度上使用分段抛物线
边界条件与载荷
4. 向环境的辐射 是否需要考虑辐射边界条件
温度越高，辐射现象越强
Te = Room temp (23oC) h = 10W/m2/oC 辐射率=1
Film
Heat flux
Radiation
0
100
200
Surface temperature
边界条件与载荷
5. 自然边界条件 在任何温度下没有给定热流并没有外部热流的表面，默认条件是通过表面q=0, 即没有通过表面的热流： 理想绝热条件 这是自然（无热载荷）边界条件，用于诸如施加对称边界条件的时候，如 外部热源温度 800oC
•该单元可以在 ABAQUS/Explicit 中使用
热传导单元定义 •壳单元
•一阶和二阶插值用于轴对称单元(DSAX1,DSAX2)和三维（DS3， DS4，DS6，DS8）应用的壳单元包含有单元库中。壳单元用于 模拟承受热载荷的薄壁结构如: 压力容器，管道系统和金属片元 件等。
-- 单元在每个壳节点的厚度方向的多个点上提供了温度自由度，这样温度不仅随着壳 的参考平面变化，也随厚度方向变化。
确定温度的分布。
ρcθ& = Q − Iq
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 à energy 单位 J -- 热率 Heat rate à power 单位 J/t or W -- 热流量 Heat flux = Power per unit area 单位 J/t/L2
abaqus热分析
作为最常用的热分析求解器，abas具有强大的求解功能。
ABAQUS不仅可用于热传导分析，还可用于温度场与其它场的耦合分析1传热2耦合温度位移三。
热电耦合分析4热电耦合结构分析①热分析在热分析中，材料和元素的准确定义尤为重要。
ABAQUS为该分析提供了一个单元（dc3d8）。
在材料定义方面，ABAQUS提供导电率、比热、密度等。
此外，对于某些特殊效果，可以使用以下材料特性：内部加热（仅ABAQUS/标准）和用户定义的本构响应（ABAQUS）/标准）。
此外，ABAQUS还提供了电导率、比热、密度、弹性模量（Ex）、泊松比等定义。
根据热分析的类型，ABAQUS提供了稳态分析、瞬态分析和非线性分析。
ABAQUS提供各种形式的温度指定、热流密度指定、对流边界条件设置、周围环境中辐射的定义以及自然边界条件和初始条件的设置。
对于热分析中的接触问题，ABAQUS提供了一种热“接触”方法，通过界面传热、热相互作用、间隙传热和间隙辐射来模拟接触部位的传热。
②热耦合分析热应力耦合分析是热分析的重要组成部分。
ABAQUS提供了两种热应力耦合分析方法：序贯耦合分析和全耦合分析。
序贯耦合分析是先进行热传导分析，然后利用热传导分析的结果进行热应力分析。
假设温度引起热应力，但应力对温度没有反应。
完全耦合分析考虑了两者之间的相互作用。
在热耦合分析中，ABAQUS为不同类型的热耦合分析提供了特殊的耦合单元，热传导分析前的材料、载荷和边界定义适用于耦合分析。
③ABAUQS踏面制动器的热分析使用ABAQUS耦合温度-位移分析步骤执行完全耦合热分析。
Abaqus热分析实验报告
(一)创建部件1：模块：部件2：点击创建部件工具，弹出创建部件对话框名称：CUP模型空间：三维类型：可变形形状：实体类型：旋转大约尺寸：2003：点击继续，进入草绘模式，首先应当绘制一条构造线，然后为旋转实体绘制如下截面草图4：点击完成，选择上一步创建的构造线作为中心线，弹出编辑旋转对话框，将角度修改为360度5：点击确定，旋转的结果如下（二）定义材料和截面属性1：模块：属性2：点击创建材料工具，弹出编辑材料对话框名称：steel通用→密度，将密度修改为7.85e-9力学→弹性→弹性，将杨氏模量修改为2.1e5，泊松比改为0.3热学→传导率，将传导率修改为36热学→比热，将比热修改为9e8点击确定3：点击创建截面工具名称：Section-1类别：实体类型：均质4：点击继续，弹出编辑截面对话框，材料为steel，点击确定5：点击指派截面工具，框选整个模型为要指派截面的区域6：点击完成，弹出编辑截面指派对话框，选取默认设置，点击确定（三）生成装配件1：模块：装配2：点击创建实例工具，弹出创建实例对话框，选取默认设置，点击确定（四）定义分析步1：模块：分析步2：点击创建分析步工具，弹出创建分析步对话框名称：Step-1程序类型：通用（热传递）3：点击继续，弹出编辑分析步对话框，将响应修改为稳态，点击确定(五)定义相互作用1：模块：相互作用2：点击相互作用管理器工具，弹出相互作用管理器对话框，点击创建，弹出创建相互作用对话框名称：Int-1分析步：Step-1类型：表面热交换条件点击继续，选择如下外圆面点击完成，弹出编辑相互作用对话框膜层散热系数：10e-3环境温度：20点击确定，结果如下图示：3：按照上述类似方法，定义其他4个相互作用关闭相互作用管理器，完成相互作用的定义（六）网格划分为了便于进行网格划分，先对部件进行分区1：模块：部件2：点击拆分几何元素：定义切割平面工具，选择一点及法线指定平面选择下图示一点及法线指定分割平面点击创建分区，完成拆分，结果如下图3：模块：网格对象：部件4：点击为边布种工具，框选整个部件为要布置局部种子的区域5：点击完成，弹出局部种子对话框，将近似单元尺寸修改为5，其余地方选用默认设置，点击确定6：点击指派网格控制属性工具，框选整个部件7：点击完成，弹出网格控制属性对话框，按如下设置，点击确定单元形状：六面体技术：扫掠算法：进阶算法8：点击指派单元类型工具，框选整个部件，点击完成，弹出单元类型对话框，将分析类型修改为热传递，点击确定9：点击为部件划分网格工具，点选是确定为部件划分网格结果如下图（七）创建作业1：模块：作业2：点击作业管理器工具，弹出作业管理器对话框3：点击创建，弹出创建作业对话框4:点击继续，弹出编辑作业对话框，选取默认设置，点击确定5：点击提交，提交作业6：运行过程中，可以点击监控，查看运行状态7：点击结果，进入可视化模块，并在变形图上绘制云图，结果如下。
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Surface film condition(曲面薄膜狀態)
接著我們要加上曲面對流的邊界條件.
w16-Surface film condition.avi
1. 在模型樹中的 Interactions 上快點兩下來製作一個新的互動(interaction).
2. 在 Create Interaction 對話框中, 選取 Surface film condition 作為互動類型
要分析模擬這個零件的熱反應, 需要使用一個熱傳遞(heat transfer)的分析步. 1. 在模型樹中的Steps上快點兩下來製作一個新的分析步. 2. 在 Create Step 對話框中, 選取 Heat transfer 做為分析步的類型然後用以下的 參數來製作一個暫態的熱傳遞分析步: • 描述說明(Description): Thermal analysis • 整個分析時間(Total time period) = 200 • 時間增量之最大數量(Max. number of increments allowed) = 100 • 初始增量值(Initial increment size) = 1 • 停止分析步之最小溫度變動率 = 0.5 • 每個增量中所允許之最大溫度變動率= 10 3. 使用其預設之 ODB 輸出資料項. 設定restart frequency 為 5.
plasticProps.inp 檔中讀進這些資料
將此選項打開
在這裡按下 滑鼠右鍵
Figure W16–8 Reading plastic material properties from a file.
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Introduction to ABAQUS
此邊緣用來指示為草圖的 水平方向及草圖的上方
選這個面作 為草圖平面
切除方向
Figure W16–2 First extruded cut.
7. 如圖 W16–3 中所示畫出此拉伸切除所要使用的外型, 然後在圖形區中, 按下滑鼠 中鍵完成此動作並在提示區中按下 Done 按鈕來繼續.(如果使用的是兩件的 滑鼠的話可以同時按下兩個鍵得到相當於中鍵的效果) 在 Edit Cut Extrusion 對話框中, 選取如圖W16–2 中所示的切除方向還有選取終端狀態(end condition)為Through All.
Importing and defeaturing the part(匯入零件以及去除某些特徵)
1. 從../IntroClass workshops/heatTransfer 目錄中執行 ABAQUS/CAE
w16-Importing and
程式.
defeaturing the part.av 2. 從上方的下拉功能表中選取 File→Import→Part功能選項.
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Introduction to QUS
W16.8
2. 從上方的下拉功能表中選取Tools→Partition 功能選項. 在 Create Partition 對 話框中, 選取 Cell 作為分割類型以及選用Extend face 作為分割方法. 將如圖 W16–12 中所示的區域分割開. 使用圖中反白的面來延伸做分割.
Extend this face
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Introduction to ABAQUS
W16.2
6. 在這個分析中我們只要使用四分之一的對稱模型就好. 從上方的下拉功能表 中選取 Shape→Cut→Extrude 功能選項做兩次拉伸切除(extruded cuts)的動作. 第一次的切除動作選取如圖 W16–2 中的反白的面(face)做為拉伸切除的平面. 然後選取如圖中所示的上方的圓形邊緣作為此草圖的水平方向以及草圖的上 方(在提示區中切換選項).
接著要製作有限元素網格. 我們不要為了要全部做成六面體元素網格, 而來做複雜的 分割, 只要做成幾個簡單的分割將此零件分成幾個六面體元素區與四面體元素區就 好. ABAQUS/CAE 會自動在網格不一致的地方加上所需要的 tie(綁縛)拘束.
1. 在模型樹中將 Instances 之下的 pipe_int-1 展開, 在其中的 Mesh 上快點兩下.
4. 如圖 W16–11 所示為管內璧製作一個薄膜狀態(film condition). 設定其薄膜係 數(film coefficient)為 1200 W/m2·s·°C. 以及溫度降(sink temperature)為1°C, 並 使用稍早為溫度降而做的振幅曲線Amp-1. 溫度降的值是你所指定的值跟振 幅曲線的值得乘績.
3. 然後在圖形區按住滑鼠鍵拖曳過整個圖形區將整個模型選取起來. 按下提示 區中的 Done 按鈕.
4. 在 Edit Field 對話框中, 輸入 20°C 作為初始溫度的 Magnitude.
w16-Partitioning and
Partitioning and meshing the part(將零件分割與建網格) meshing the part.avi
Workshop 16
相交叉管的熱應力分析
Introduction(簡介)
這個練習中將會講到圓柱管交叉處的熱應力分析. 圓管整個是放在一種液體中同時 管子裡又填滿了另一種液體. 圓管跟外圍的液體之間的交互影響(Interaction)在模型 中是使用曲面對流的設定來模擬它. 管內液體所導致的壓力則是使用壓力負載來模 擬它. 這個例子中, 熱跟機械性的反應都要考慮. 我們預計這個零件的機械行為只會 極微弱的影響到其熱反應的行為. 所以接下來我們要做熱應力分析. 首先把熱應力分 析的模型製作出來, 同時這也是結構分析模型的基礎. 在結構分析模型中有兩個分析 步並且將會在其中說明 ABAQUS 中的 restart (接續計算)的用法. 其中的熱應力分析 也會用 ABAQUS/Explicit 再做一次. 因為對稱的關係這個模型我們只做其四分之一 就好.
此模型中使用的單位是 SI 制(公制單位)(kg, m, s, N, °C). 這些管子是用典型的工業 用鋁合金所製造的. 我們假設材料在製造過程中的硬化是等向的. 還有材料中的相依 於溫度的塑性流變應力關係也會一併考慮.
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Introduction to ABAQUS
Figure W16–11 Surface for inner film condition.
Initial conditions(初始狀態)
這些管子一開始是處於室溫(20°C).
w16-Initial conditions.avi
1. 在模型樹中的Fields上快點兩下.
2. 在 Create Field 對話框中, 將分析步設到 Initial, 類別欄則設成 Other, 還有類 型設成 Temperature. 按下 Continue 按鈕.
3. 在 Import Part 對話框中, 選取pipe_int.sat 檔案然後按下 OK按鈕.
4. 在 Create Part from ACIS File對話框中, 查看這個幾何物件的一些基本訊息 然後按下 OK 按鈕來將它匯進來.
5. 這個模型的幾何外型如圖 W16–1 中所示.
Figure W16–1 Initial part geometry.
W16.5
1. 在模型樹中的 Materials 上快點兩下來製作一份新的材料. 將此材料取名為 aluminum, 並輸入以下的 Thermal 性質: • 隨溫度變動的熱傳導率(conductivity): 204 W/m°C at 0°C 225 W/m°C at 300°C • 比熱(Specific heat) = 880 J/kg°C • Inelastic heat fraction = 0.0 (在 ABAQUS/Explicit 分析時才會用到) • 密度(Density) = 2700 kg/m3
2. 加上以下這些Mechanical (機械類)性質.(這些性質在接下來的應力分析中將 會被使用到.) • 彈性係數(Modulus of elasticity) = 6.9E10 Pa • 浦松比(Poisson's ratio) = 0.33 • 熱膨脹係數(Coefficient of thermal expansion) = 8.42E-5 • 隨溫度變動的塑性性質: 這些性質可以從 ASCII 文字檔中讀進來. 將Use temperature-dependent data 選項打開, 如圖 W16–8 所示, 然後在圖中所指的資料欄位處按下滑鼠 右鍵. 從所彈出的可用選項中, 選取 Read from File. 從
W16.6
3. 製作一份均質的實體剖面性質(homogeneous solid section)取名為 aluminumSection, 並將之指定給這個零件.
4. 將零件 pipe-int 以 independent 的方式組到組裝中.
w16-Analysis
Analysis procedure and output(分析過程跟輸出資料) procedure and output.
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Introduction to ABAQUS
W16.7
3. 在內璧的流體溫度是與時間相關的. 所以, 需要一條振幅曲線來描述溫度的歷 程. 在模型樹中的Amplitudes上快點兩下. 使用其預設的 Tabular 類型, 並按一 下 Continue 按鈕. 輸入薄膜溫度降的振幅點資料 (0, 20), (10, 400), 還有 (200, 400) 到表中. 然後按下 OK 按鈕.
Figure W16–3 Shape of the first cut.