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![ABAQUS热应力分析实例详解[整理]](https://img.taocdn.com/s1/m/6d04c637182e453610661ed9ad51f01dc2815769.png)
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。
(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。
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。
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。
(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 热传导案例
案例概述：
我们有一段50m长的金属管，流体持续流入，入口速度为20m/s。
入口处对流体进行100℃的加温。
金属管和流体的初始温度均为23℃。
我们需要
查看流体与管壁的温度变化。
案例分析：
这个案例涉及到流体（水）和固体（金属管），分析目标是二者的温度变化。
我们可以使用CFD（计算流体动力学）、热传导、耦合分析和Abaqus的
联合仿真来进行模拟。
由于重力作用在这个案例中可以忽略，因此我们不需要考虑重力对流体的影响。
联合仿真流程简介：
联合仿真流程基本可概括为分别建立相互耦合的独立模型（例如
Standard&Explicit Model和CFD Model），然后创建联合执行任务，设定耦合区域，然后提交运算即可。
具体步骤：
1. 建立模型：使用Abaqus建立金属管的模型，并设置初始温度为23℃。
2. 定义材料属性：为金属管定义热传导系数等材料属性。
3. 建立边界条件：在入口处设置100℃的加热边界条件，出口处设置自然对流边界条件。
4. 划分网格：对金属管进行网格划分，以便进行数值计算。
5. 运行仿真：使用Abaqus进行热传导仿真，得出流体与管壁的温度变化。
6. 结果分析：根据仿真结果，分析流体与管壁的温度变化趋势，并评估传热效果。
Abaqus在热分析中的应用1.前言热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统等。
Abaqus热分析类型包括稳态传热和瞬态传热，传热方式有热传导，热对流，热辐射三种。
2.问题描述分析电饭煲内的米饭在加热完成后放置6个小时，锅体及米饭的最终温度。
以一套双层锅体双层锅盖的电饭煲的设计为例说明Abaqus/Standard在热分析中的应用。
3.计算模型3.1.有限元模型建立网格划分在Hypermesh中完成，注意网格尺寸，以保证合适的单元数目保证计算时间和计算精度。
有限元模型主要包含以下几个部分：内层锅体、外层锅体、锅底、内层锅盖、外层锅盖、米饭、内外层锅体之间的空气、内外层锅盖之间的空气以及米饭和内层锅盖之间的空气，见图1。
模型中多个接触区域采用了共点划分，如：米饭和锅体之间、米饭和空气之间、空气和锅盖之间，这些地方采用共点的方式来实现他们之间的热传导，在不影响计算结果的情况下大大节省了设模型的时间，也使模型简单化。
图1 有限元模型（剖视图）3.2.材料模型中所用材料参数包含：密度、比热、热传导率和发射率。
3.3.传热方式和加载3.3.1 传热方式：热传递是通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。
在实际的传热过程中，这三种方式往往是伴随着进行的。
模型中通过多种设置实现这三种热传递方式。
传导—热量从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叫做热传导，热传导是固体中热传递的主要方式。
模型中通过两种方式来实现热传导。
1）共点网格：模型中除了锅盖和锅体之间的接触外其他的的接触部位假设完全接触，而在接触表面不存在热阻，通过共点来实现模拟。
2）接触对：锅盖与锅体之间的接触部分通过添加接触对来模拟二者之间的热传导，假设二者之间存在0.1mm的空气间隙，通过计算得到热阻系数。
热阻系数=空气热传导率/空气间隙对流—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，对流可分自然对流和强迫对流两种。
