13第十三章 热分析与热固耦合分析

211第十三章 热分析和热固耦合分析LS-DYNA 除了强大的结构动力分析功能外，还可以进行稳态或瞬态的热分析，和热固耦合分析，可以处理热传导、对流和辐射各种热问题，在焊接、冲压、锻压及碰撞等过程中方便的考虑热问题（如塑性能转化为热能的问题）及热应力问题。

13.1 LS-DYNA 求解热问题所涉及到的关键字求解热问题所涉及到的关键字：：*CONTROL_SOLUTION*CONTROL_THERMAL_SOLVER*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL*BOUNDARY_CONVECTION_OPTION*BOUNDARY__FLUX_OPTION*BOUNDARY_RADIATION_OPTION*BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION*BOUNDARY_THERMAL_WELD*INITIAL_TEMPERATURE_OPTION*LOAD_HEAT_GENERATION_OPTION*PART*MAT_THERMAL_OPTION13.2 13.2 进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤：：13.2.1 LS 13.2.1 LS--DYNA 激活热分析的关键字激活热分析的关键字*CONTROL_SOLUTION ：212典型的输入为：把热材料与结构材料相连使用的是*PART关键字：其中的参数TMID 就是定义的热材料ID 号，而MID 就是定义的结构材料ID 号，它们的编号可以一样，是不相干的。

要注意的是热材料只对体单元和壳单元有效，对梁单元和离散单元无效，即LS-DYNA中梁单元和离散单元不能进行热分析或热固耦合分析。

13.2.3定义热边界条件定义热边界条件：：热边界条件包括热传导、对流、辐射和温度边界条件，还可以考虑移动焊点的边界条件。

由下面的关键字进行定义：*BOUNDARY_CONVECTION_OPTION*BOUNDARY__FLUX_OPTION*BOUNDARY_RADIATION_OPTION *BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION *BOUNDARY_THERMAL_WELD典型的输入为：21313.2.4定义热初始条件定义热初始条件：：有时需要定义热初始条件，如初始温度，使用的关键字是*INITIAL_TEMPERATURE_OPTION 。

典型的输入是：其中SID 代表热源的实体单元SET ID 号，LCID 代表加载的曲线ID 号，CMULT 代表缩放因子。

13.2.6定义热接触定义热接触：：当有接触存在时，必须考虑热接触问题，LS-DYNA 可以定义3D 和2D 状态下的热接触问题。

对于三维热接触，目前只能使用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL 关键字进行定义。

典型的输入为：与结构分析中定义接触一样，对于热分析和热固耦合分析，只要在结构分析接触定义的基础上，在关键字中增加THERMAL ，在第5行添加相关热特性参数：cf ：在两接触物体空隙间（空气或流体）的导热系数frad ：两接触物体间的辐射因子htc ：两物体空隙间的热传导系数gcrit ：最小的空隙条件（如两物体间的空隙小于该值，使用htc 值）gmax:：最大的空隙量（若两物体间的空隙大于该值，则没有热接触）214 对于二维热接触（如轴对称问题、平面应变问题等），目前只能使用下面关键字进行定义。

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL典型的输入为：其中的相关热性参数与三维热接触定义一样。

13.2.7控制热求解器相关参数控制热求解器相关参数：：对于热分析或热固耦合分析，可以控制这种分析是稳态分析还是瞬态分析，是线性问题还是非线性问题，选择什么样的热求解器及热分析的时间步长问题等。

由下面的关键字来控制：*CONTROL_THERMAL_SOLVER*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR典型的输入为：其中相关参数说明：ATYPE ：热分析的分类0：稳态分析1：瞬态分析PTYPE ：热问题是线性还是非线性的0：线性问题1或2：非线性问题，需要定义*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR 关键字FWORK ：塑性变形能转化为热能的百分比，使用该参数可以在冲压或锻压成型过程中考虑塑性变形能转化为热能的问题。

TS：时间步的设置：0：固定时间步长1：可变时间步长（可增加或减少，由程序控制）在实际求解过程中，可能有时会遇到收敛困难等问题，需要调整相关求解控制参数。

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21513.3轴对称热挤压问题示例下面为一简单示例，一个轴对称的挤压问题，可以在做挤压分析的同时考虑热问题，即进行热固耦合分析，工件的温度为400度，模具为20度，结果如下：某时刻的应力情况：同时刻的温度情况：下面为该例的关键字文件，为节省篇幅，关键字中的节点和单元没有全部列出：$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*KEYWORD$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*TITLETHERMAL EXTRUSION $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$ $$ CONTROL CARD $$ $$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*CONTROL_ADAPTIVE$ ADPFREQ ADPTOL ADPOPT MAXLVL TBIRTH TDEATH LCADP IOFLAG0.00010 0.0020 8 4 0.01.0000E+23 0$ ADPSIZE ADPASS IREFLG ADPENE ADPTHE MEMORY ORIENT MAXEL1.0000E+23 0 0 0.0 0.0 0 0 0*CONTROL_TIMESTEP$ DTINIT TSSFAC ISDO TSLIMT DT2MS LCTM ERODE MS1ST0.0 0.90 0 0.0$ DT2MSF*CONTROL_TERMINATION$ ENDTIM ENDCYC DTMIN ENDENG ENDMAS40.0 0 0.0 0.0*CONTROL_SOLUTION$ SOLN2*CONTROL_THERMAL_SOLVER$ ATYPE PTYPE SOLVER CGTOL GPT EQHEAT FWORK SBC1 1 3 0.00010*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP$ TS TIP ITS TMIN TMAX DTEMP TSCP0.0000201.0000E-08*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR$ REFMAX TOL DCP$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$ $$ DATABASE CONTROL FOR ASCII $$ $$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*DATABASE_GLSTAT$ DT2160.040*DATABASE_MATSUM$ DT0.040$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ DATABASE CONTROL FOR BINARY $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_BINARY_D3PLOT$ DT/CYCL LCDT BEAM NPLTC0.40 0 0*DATABASE_BINARY_D3THDT$ DT/CYCL LCDT0.040*DATABASE_BINARY_D3DUMP$ DT/CYCL2.6780E+07$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ DATABASE EXTENT CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_EXTENT_BINARY$^$ NEIPH NEIPS MAXINT STRFLG SIGFLG EPSFLG RLTFLG ENGFLG 0 0 3 1 1 1 1 1 $ CMPFLG IEVERP BEAMIP DCOMP SHGE STSSZ N3THDT0 0 4 0 0 0 2$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ DATABASE FORMAT CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_FORMAT$ IFORM IBINARY0 0$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ PART CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *PART$HEADING217PART 1 FOR MAT 1 AND ELEM TYPE 1$ PID SECID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 1 1 1 0 0 1 *PART$HEADINGPART 2 FOR MAT 2 AND ELEM TYPE 1$ PID SECID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 2 1 2 0 2 2 *PART$HEADINGPART 3 FOR MAT 1 AND ELEM TYPE 1$ PID SECID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 3 1 3 0 0 1 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ SECTION CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SECTION_SHELL$^SEC0001$ SECID ELFORM SHRF NIP PROPT QR/IRID ICOMP SETYP 1 15 1.0 3 0.0 0.0 0 1 $ T1 T2 T3 T4 NLOC MAREA0.0 0.0 0.0 0.0 0$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ MATERIAL CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *MAT_RIGID$^MAT0001$ MID RO E PR N COUPLE M ALIAS 1 0.0000027 21.0 0.30 0.0 0.0 0.0 0.0 $ CMO CON1 CON21.0 6.0 7.0$LCO_OR_A1 A2 A3 V1 V2 V30.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0*MAT_RIGID$^MAT0002$ MID RO E PR N COUPLE M ALIAS 3 0.0000027 21.0 0.30 0.0 0.0 0.0 0.0 $ CMO CON1 CON21.0 7.0 7.0$LCO_OR_A1 A2 A3 V1 V2 V32180.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0*MAT_PLASTIC_KINEMATIC$^MAT0003$ MID RO E PR SIGY ETAN BETA2 0.0000027 0.21 0.30 0.0020 0.00201 0.0$ SRC SRP FS VP0.0 0.0 0.0 0.0$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ THERMAL MATERIAL CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *MAT_THERMAL_ISOTROPIC$^MAT0001$ TMID TRO TGRLC TGMULT1 0.0000027$ HC TC460.0 0.000046*MAT_THERMAL_ISOTROPIC$^MAT0002$ TMID TRO TGRLC TGMULT2 0.0000027$ HC TC460.0 0.000046$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ NODE SET CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SET_NODE_LIST$^$ SID DA1 DA2 DA3 DA410 0.0 0.0 0.0 0.0$ NID1 NID2 NID3 NID4 NID5 NID6 NID7 NID8 10 1 3 *SET_NODE_LIST$^$ SID DA1 DA2 DA3 DA420 0.0 0.0 0.0 0.0$ NID1 NID2 NID3 NID4 NID5 NID6 NID7 NID820 2 *SET_NODE_GENERAL10PART,1,3219*SET_NODE_GENERAL20PART,2$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ PART SET CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SET_PART_LIST$^$ SID DA1 DA2 DA3 DA411 0.0 0.0 0.0 0.0$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 1 *SET_PART_LIST$^$ SID DA1 DA2 DA3 DA422 0.0 0.0 0.0 0.0$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 1 2 3 *SET_PART_LIST$^$ SID DA1 DA2 DA3 DA433 0.0 0.0 0.0 0.0$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 3 *SET_PART_LIST$^$ SID DA1 DA2 DA3 DA444 0.0 0.0 0.0 0.0$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 2 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ BOUNDARY PRESCRIBED CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID$^$ PID DOF VAD LCID SF VID DEATH BIRTH 1 2 2 1 1.0 0.0 0.0 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ INITIAL TEMPERATURE CARDS $220$ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *INITIAL_TEMPERATURE_SET$^$ NSID TEMP10 20.0*INITIAL_TEMPERATURE_SET$^$ NSID TEMP20400.0$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ CONTACT CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL$ PSIDS PSIDM SFACT FREQ FS FD DC MEMBS 22 0 1.0 50 0.0 0.0 0.0 6 $ TBIRTH TDEATH SOS SOM NDS NDM IPFLG CPFLG 0.0 1.000E+20 1.0 1.0 0 0 0 0 ,,1.e6, 1.e-2, 2.e-2$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ LOAD CURVE CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DEFINE_CURVE$^$ LCID SIDR SFA SFO OFFA OFFO DATTYP1 0 1.0 1.0 0.0 0.0 0$ A1 O10.0 0.00.0401 -0.10$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ NODE INFORMATION $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *NODE$ NID X Y Z TC RC1 0.0 -30.0 0.0 0.0 0.02 -0.00007450581 -60.0 0.0 0.0 0.03 -0.00001490116 -35.0 0.0 0.0 0.04 -0.00002235174 -40.0 0.0 0.0 0.02215 -0.00004470348 -45.0 0.0 0.0 0.06 -0.00005215406 -50.0 0.0 0.0 0.07 -0.00007450581 -55.0 0.0 0.0 0.08 99.8999 -60.00025 0.0 0.0 0.09 4.994899 -60.00002 0.0 0.0 0.010 9.989895 -60.00002 0.0 0.0 0.011 14.9849 -60.00004 0.0 0.0 0.012 19.9799 -60.00005 0.0 0.0 0.013 24.9749 -60.00006 0.0 0.0 0.014 29.96989 -60.00008 0.0 0.0 0.015 34.9649 -60.00009 0.0 0.0 0.016 39.9599 -60.0001 0.0 0.0 0.017 44.9549 -60.00011 0.0 0.0 0.018 49.94989 -60.00013 0.0 0.0 0.019 54.9449 -60.00014 0.0 0.0 0.020 59.9399 -60.00015 0.0 0.0 0.021 64.9349 -60.00016 0.0 0.0 0.022 69.92992 -60.00018 0.0 0.0 0.023 74.9249 -60.00019 0.0 0.0 0.024 79.9199 -60.0002 0.0 0.0 0.025 84.9149 -60.00021 0.0 0.0 0.026 89.9099 -60.00023 0.0 0.0 0.027 94.90489 -60.00024 0.0 0.0 0.028 99.9 -30.00025 0.0 0.0 0.029 99.8999 -55.00025 0.0 0.0 0.030 99.8999 -50.00025 0.0 0.0 0.031 99.9 -45.00025 0.0 0.0 0.0……$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ ELEMENTS INFORMATION $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ SHELL ELEMENTS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *ELEMENT_SHELL$ EID PID NID1 NID2 NID3 NID41 1 1 3 53 522 134 72 533 145 91 724 156 110 912225 167 129 1106 17 2 9 1297 1 52 53 54 518 1 53 72 73 549 1 72 91 92 7310 1 91 110 111 9211 1 110 129 130 11112 1 129 9 10 13013 1 51 54 55 5014 1 54 73 74 5515 1 73 92 93 7416 1 92 111 112 9317 1 111 130 131 11218 1 130 10 11 13119 1 50 55 56 4920 1 55 74 75 5621 1 74 93 94 7522 1 93 112 113 9423 1 112 131 132 11324 1 131 11 12 13225 1 49 56 57 4826 1 56 75 76 5727 1 75 94 95 7628 1 94 113 114 9529 1 113 132 133 11430 1 132 12 13 13331 1 48 57 58 4732 1 57 76 77 58……*END223。