ENGI 7706/7934: Finite Element Analysis Abaqus CAE Tutorial 4: Heat Transfer ___________________________________________________________ Problem Description
The thin plate (7035) shown below is exposed to a temperature of 25 degree. When the temperature reaches 150 degree, the plate will have expansion. A fixed boundary condition of the top plate will cause changes in stress field. The thermal expansion coefficient is . Plot the stress filed at 150 degree.
r = 7.5
10
ABAQUS Analysis Steps
1. Start Abaqus and choose to create a new model database
2. In the model tree double click on the “Parts” node (or right click on “parts” and select Create)
3. In the Create Part dialog box name the part and
a. Select “2D Planar”
b. Select “Deformable”
c. Select “Shell”
d. Set approximate size = 100
e. Click “Continue…”
4. Create the geometry shown below (not discussed here)
5. Create material property---steel
a. Mechanical---Elasticity---Elastic, E=2E9, v=0.3.
b. Mechanical---Expansion, coff=1.35E-5
6. Create section
a. Create section as below
b. Assign section
7. Assembly
a. Create Instance part
8. Create Step
a. Create loading step, accept default setting
9. Under Load Module,
Create initial temperature field:
a. Create predefined field to define the initial temperature 25 degree, select “Predefined field” in main menu (as shown below), select “Create”
b. Create Predefined field 1, select “initial” in step, “other” in category, “temperature”in Types for selected step. Click continue…
c. Select the whole plate, click “Done”
d. Define magnitude of temperature field: put 25 in magnitude
10. Define the temperature increases to 150 degree
a. Open Predefined field Manager
b. Select “Propagated”, click “Edit”, Select “Modified” in “Status”, Change the magnitude to 150 degree. Click “OK”.
11. Create Boundary Condition
a. Define fixed boundary condition on the top: Select ENCASTRE
b. Define roller boundary condition on the left and right edge:
a. Create seed size: Assign global size as 2.
b. Define mesh controls as below:
c. Assign element type as below:
a. Create job : “Heat_plate”
b. Submit the job
14. View results
ABAQUS顺序热力耦合分析实例此实例中需要确定一个冷却栅管的温度场分布。温度场的求解采用稳态热分析，在此之后还将进行热应力分析来求出冷却栅管在温度作用下产生的位移和应力分布。由于冷却栅管比较长，并且是轴对称结构，根据上述特点，可以简化有限元分析模型。此实例中使用国际单位制。 1、part中创建轴对称可变形壳体，大致尺寸为1，通过creat line创建一个封闭曲线（0.127,0） （0.304,0）（0.304,0.006）（0.152,0.006）（0.152,0.031）（0.127,0.031）（0.127,0） 使用creat Fillet功能对模型倒角处设置0.005的倒圆角。倒角后，模型并未改变，需要在模型树中，part下的Features右键，Regenerate，最终模型如下图所示。 2、在材料模块中定义密度7800，弹性模量1.93E11，泊松比0.3。所不同的是，热分析还需 要指定热传导系数以及比热。在Thermal里输入参数，热铲刀系数25.96，比热451。 3、创建截面属性以及装备部件，和普通的静力分析设置一样。 4、Step有所不同，分析类型仍为通用分析步，下面要更改为Heat Transfer。在Edit Step窗 口中，使用默认的瞬态分析（Transient），时长设置为3s。切换到Incrementatin进行相应的设置，如下图。
5、Load模块中，设置左边温度为100度，右边及上边温度为20度。Creat BC，类型选择 Other>Temperature。在纯粹的热传导分析方程中，没有位移项，因此不会发生刚体位移，这里也就不需要设置位移边界条件。 6、接下来划分网格，种子尺寸给0.005，单元类型需要在单元族中选择专门用来热分析的 Heat Transfer，查看下面确保使用的单元为DCAX4。使用结构化的全四边形网格划分方法。 7、到此，热分析的设置已经完成，可以提交计算，完成后，查看变量NT11即为节点温度。
Abaqus： ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具。 模块： ABAQUS/?ba:kjus/有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。 功能：
静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等 动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析 质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等 非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题 准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟 海洋工程结构分析： 对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟 对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟 水下冲击分析： 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦
1.1基于ABAQUS的热应力分析 1.1.1 温度场数据处理 (1)打开INP_Generator.exe，出现如下软件界面： 图1.数据处理软件 (2)点击“浏览”按钮，选择由FLUENT导出的inp文件所在路径，如下图 所示： 图2.路径选择 (3)点击“生成”按钮，则在inp文件所在路径下自动生成包含多个温度场的 ABAQUS输入文件ABAQUSinputfile.inp。 图3.生成包含连续温度场INP文件
1.1.2 复材工装模板热应力分析 (1)打开ABAQUS，导入inp文件后，打开Tools菜单下“Set - Manager”， 如下图所示。检查是否有名为“PID6”的set，若没有则创建一个名为 “PID*”的set，set为模板整体。（“*”为任意数字或字母） 图4.创建SET (2)打开Plug-ins菜单下“CAC Project - Composite Analyse”，弹出如下界面。 在Step1标签中输入用到的材料名称并选择工作路径；在Step2中定义铺 层信息，可通过右键删除或添加行；按照Step3和Step4的提示，使用 ABAQUS/CAE自身功能完成剩余分析工作。 (a)
(b) (c) 图5.定义材料及铺层 (3)进入Load模块，定义垂直于模板表面平面部分的局部坐标系。选择“Tools” 菜单下“Datum”，Type选择“CSYS”Method选择“3Points”，然后默认点击“Continue”按钮。依次在模板表面选择坐标原点、X轴上点和XY面上的点，生成局部坐标。 图6.定义模板局部坐标系 (4)点击“Create Boundary Condition”按钮，弹出边界条件定义对话框。
问题一:工字梁弯曲 1.1问题描述: 在<<材料力学实验>>中，弯曲实验測定了工字梁弯曲应变大小及其分布，以验证弯曲正应力公式。在这里，採用ABAQUS/CAE建立试验件的有限元模型，ABAQUS/Standard模块进行分析求解，得到应力、应变分布，对比其与理论公式计算值及实验測量值的差別。 弯曲实验的相关数据： 材料：铝合金E=70GPa泊松比0.3 实验装置结构简图如图所示： 结构尺寸测量值：H=50（+/-0.5mm） h=46(+/-0.5mm) B=40（+/-0.5mm） b=2(+/-0.02mm) a=300(+/-1mm) F1=30N Fmax=300N N ? F100 = 1.2ABAQUS有限元建模及分析 一对象: 工字型截面铝合金梁 梁的结构简图如图1所示，結构尺寸、载荷、約束根据1.1设定，L取1600mm，两端各伸出100mm。 二用ABAQUS/CAE建立实验件的有限元模型,效果图如下： 边界条件简化： 左侧固定铰支座简化为下表面左参考点处的约束U1=U2=U3=0
右侧活动铰支座简化为下表面右参考点处的约束U1=U2=UR3=0 几何模型
有限元模型 三ABAQUS有限元分析結果 ①应力云图（Z方向正应力分量）：施加载荷前 F=300N
②应变（Z方向分量）： 中间竖直平面的厚度方向应变分布图： F=100N F=200N
F=300N 由上图可以看出应变沿着厚度方向呈线性比例趋势变化，与实验测得的应变值变化趋势相同。中性轴处应变均接近零值，应变与距离中性轴位移基本为正比关系。 1.3分析结果: 中间竖直截面上下边缘轴向应力数值对比：*10^-6MPa 距中性轴距ABAQUS模拟实验测量值平均理论值 1/2H-96.182*70000-97*70000-6.9165=-70000*98.807 -1/2H95.789*7000092*70000 6.9165
利用Abaqus的Moldflow接口进行翘曲分析和残余应力分析 Abaqus关键特征和优势 1.力学性质、有限元网格以及残余应力数据都能从Moldflow很简便地传递到Abaqus 2.包含了成型工艺残余应力的Abaqus分析使得注塑模具产品的仿真更加精确 分析方法 对一个注塑模具产品的翘曲和应力分析的过程来说，一开始是利用Moldflow对注塑成型过程进行仿真。Moldflow的分析结果包括材料性质的描述以及固化零件中的残余应力分布。Abaqus的Moldflow接口此时用来将这些数据转换成Abaqus可以应用的格式。特别强调的是，接口产生的文件包含了塑料的网格信息、残余应力结果以及材料的性质。这些数据会在接下来的Abaqus分析中用来进行翘曲和残余应力影响的建模。椅子和手机外壳塑模的离散化模型如图1所示。对于这两个模型，Moldflow分析在模型厚度上分了21层并使用了壳体网格元素。翘曲的仿真运用Abaqus/Standard的静态分析功能分析完成。 图1：椅子和手机外壳模型的网格 结果和讨论 运用Abaqus/Standard进行翘曲分析后，椅子模型和手机外壳模型的变形如图2及图3所示。
图2：椅子模型的翘曲位移[米]分布云图 图3：手机外壳模型的翘曲位移[米]分布云图 由Abaqus/Standard翘曲分析所得到的椅子模型和手机外壳模型的Mises应力分布云图如图4及图5所示。很明显可以看出，由于翘曲引起了变形，原来零件中所储存的Mises 应力大小降低了。
图4：椅子模型的Mises应力[帕]分布分布—翘曲前[左]和翘曲后[后] 图5：手机外壳模型的Mises应力[帕]分布—翘曲前[左]和翘曲后[后] 结论 Abaqus为进行细致的结构分析提供了强大的能力。Moldflow为注塑模具产品提供了运算残余应力和材料性质的能力。Abaqus的Moldflow接口通过提供Moldflow分析结果向Abaqus分析过程传送的方法，使得更加精确、更加高效的设计过程得以实现。
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。 4. 辐射条件*CRADIATE,施加在节点上；*RADIATE,施加在单元上；*SRADIATE，施加在面上，定义辐射边界条件，需要定义 Stefan-Boltzmann常数和绝对零度。 5. 自然边界条件（默认）
ABAQUS作为最常用的求解器，具有强大的仿真功能和热分析求解能力。ABAQUS 不仅可以用于热传导分析，还可以用于温度场和其他领域的耦合分析 1.传热 2.耦合温度位移 3.耦合热电分析 4.耦合热电结构分析 ①导热分析 对于热分析，准确定义材料和元素尤为重要。ABAQUS为此分析提供了一个单位（dc3d8）。在材料定义方面，ABAQUS提供电导率，比热，密度等。此外，对于某些特殊效果，可以使用以下材料属性：内部发热（仅ABAQUS /标准）和用户定义的本构响应（ABAQUS）/标准）。此外，ABAQUS提供了电导率，比热，密度，弹性模量（Ex），泊松比等的定义。 根据热分析的类型，ABAQUS提供稳态分析，瞬态分析和非线性分析。
ABAQUS提供各种形式的温度指定，热通量指定，对流边界条件设置，对周围环境的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”方式，它通过界面传热，热相互作用，间隙传热和间隙辐射来模拟接触位置的传热。 ②热耦合分析 热应力耦合分析是热分析必不可少的部分。ABAQUS提供了两种方法进行热应力耦合分析，顺序耦合分析和完全耦合分析。顺序耦合分析是先进行热传导分析，然后使用热传导分析的结果进行热应力分析。假定温度会导致热应力，但是应力对温度没有响应。完整的耦合分析考虑了两者之间的相互反应。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元素，并且热传导分析前面的材料，载荷和边界的定义适用于耦合分析。 ③ABAUQS胎面制动的热分析 使用ABAQUS耦合温度位移分析步骤执行完全耦合热分析。