ABAQUS热分析.ppt

ABAQUS ABAQUS 专题教程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介绍-ABAQUS-ABAQUS 主要是用来进行主要是用来进行 应力分析应力分析 的软件的软件-但但ABAQUS ABAQUS 也有一个重要的特性：就是可以求解规模大的、复杂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。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热传导求解能力是从求解热应力问题中发展出来的ABAQUS ABAQUS 中的热传导特性中的热传导特性-稳态响应稳态响应-瞬态响应瞬态响应 ，包括自适应时间步长包括自适应时间步长-全套热传导边界条件全套热传导边界条件-材料属性（和载荷）可以是温度相关材料属性（和载荷）可以是温度相关-热热“接触接触”允许在允许在“接触表面接触表面”有热流动有热流动-可以方便的将温度场导入热应力分析中可以方便的将温度场导入热应力分析中-特性特性潜热项（由相变产生）潜热项（由相变产生）强制对流强制对流应力应力-热传导耦合分析功能热传导耦合分析功能热传导壳单元热传导壳单元(沿厚度方向温度梯度沿厚度方向温度梯度)空腔辐射空腔辐射(加热炉升温加热炉升温)功能功能介绍介绍介绍介绍ABAQUS ABAQUS 不能做什么不能做什么ABAQUS ABAQUS 不是专业热传导分析软件不是专业热传导分析软件无流体分析无流体分析无自由对流无自由对流无浮力驱使流动无浮力驱使流动对热冲击问题无自适应网格划分对热冲击问题无自适应网格划分无逆传热分析无逆传热分析介绍介绍力平衡与能量守恒之间的类比力平衡与能量守恒之间的类比-在应力分析中，在应力分析中，ABAQUS ABAQUS 求解力平衡方程求解力平衡方程:Mu=P I Mu=P I-在热传导分析中，在热传导分析中，ABAQUS ABAQUS 求解求解 能率守恒能率守恒 方程并方程并确定温度的分布。确定温度的分布。密度密度比热比热温度变化率温度变化率外部热量外部热量内部热量内部热量介绍介绍热传导分析中的基本物理量热传导分析中的基本物理量-温度温度 Temperature Temperature 单位单位 -热能热能 Heat Heat energy energy 单位单位 J J-热率热率 Heat rate Heat rate power power 单位单位 J/t or WJ/t or W-热流量热流量 Heat flux =Power per unit area Heat flux =Power per unit area 单位单位 J/t/LJ/t/L2 2-热传导率热传导率 k,k,衡量物质中热量流动的能力衡量物质中热量流动的能力 单位单位 J/T/L/J/T/L/:热流量正比于热传导率和温度梯度热流量正比于热传导率和温度梯度:TaTaTbTbA AL LQ Q介绍介绍-比热比热 ，衡量物质储存热的能力，衡量物质储存热的能力 单位：单位：J/M/J/M/时间增量时间增量温度增量温度增量比热比热-一维热传导公式一维热传导公式热扩散率热扩散率介绍介绍-类比类比StressStressHeatHeat分析过程分析过程在在 ABAQUS/Standard ABAQUS/Standard 中，热传导分析的执行是通过将几何体离散成中，热传导分析的执行是通过将几何体离散成扩散热传导单元，并且使用扩散热传导单元，并且使用*HEAT TRANSFER HEAT TRANSFER 过程选项过程选项*HEAT TRANSFER HEAT TRANSFER 瞬态分析瞬态分析(默认默认)*HEAT TRANSFER,STEADY STATE *HEAT TRANSFER,STEADY STATE 稳态分析稳态分析在在 ABAQUS/Explicit ABAQUS/Explicit 中，没有单纯的热传导分析选项，中，没有单纯的热传导分析选项，然而可以然而可以进行全耦合的热进行全耦合的热-应力分析。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；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，其他在在ABAQUS/Standard ABAQUS/Standard 中可以使用的热属性，都可以用在中可以使用的热属性，都可以用在 Explicit Explicit 中。中。材料热性质定义材料热性质定义材料的热性质在材料的热性质在inp inp 中的中的*MATERIAL MATERIAL 关键字定义关键字定义*MATERIAL,NAME=MATERIAL-1*MATERIAL,NAME=MATERIAL-1*CONDUCTIVITY*CONDUCTIVITY1.01.0*DENSITY*DENSITY1.01.0*SPECIFIC HEAT*SPECIFIC HEAT1.01.0热传导率：热传导率：*CONDUCTIVITYCONDUCTIVITY，可以定义各向同性（默认）或各向，可以定义各向同性（默认）或各向异性异性(正交或完全正交或完全)用用 TYPE TYPE 参数：参数：*CONDUCTIVITY,TYPE=ISO|ORTHO|ANISOCONDUCTIVITY,TYPE=ISO|ORTHO|ANISO-热传导率可以是温度的函数，这样就成了一个非线性问题。热传导率可以是温度的函数，这样就成了一个非线性问题。-热传导率也可以是任意数量预设的场变量的函数热传导率也可以是任意数量预设的场变量的函数-预设场变量相关的材料性质不会涉及非线性，预设场变量相关的材料性质不会涉及非线性，ABAQUS ABAQUS 使用简使用简单的插值方法确定材料性质。例如单的插值方法确定材料性质。例如:*CONDUCTIVITY,DEPENDENCIES=1*CONDUCTIVITY,DEPENDENCIES=163.0,20,16063.0,20,16070.5,200,20070.5,200,200*INITIAL CONDITIOINS,TYPE=FIELD,VAR=1*INITIAL CONDITIOINS,TYPE=FIELD,VAR=1NALL,160NALL,160*STEP*STEP*FIELD,VARIABLE=1,AMPLITUDE=TIMEVAR*FIELD,VARIABLE=1,AMPLITUDE=TIMEVARNALL,180NALL,180*END STEP*END STEP材料热性质定义材料热性质定义温度温度 场变量场变量设置包括的预设场变量数量设置包括的预设场变量数量比热：比热：*SPECIFIC HEAT,SPECIFIC HEAT,-比热可以定义为随温度与场变量变化比热可以定义为随温度与场变量变化-大多数材料的比热随温度平稳变化大多数材料的比热随温度平稳变化密度：密度：*DENSITY,DENSITY,-密度可以定义为随温度与场变量变化密度可以定义为随温度与场变量变化热传导单元定义热传导单元定义连续单元：连续单元：ABAQUS ABAQUS 中连续扩散热传导单元库包括中连续扩散热传导单元库包括:一阶（线性）插值单元一阶（线性）插值单元二阶（抛物线）单元二阶（抛物线）单元用于一维，二维，轴对称和三维应用用于一维，二维，轴对称和三维应用单元命名规则单元命名规则:DC3D20DC3D20扩散扩散diffusiondiffusion连续体连续体continuumcontinuum节点数节点数几何，几何，3D3D单元单元-这些单元节点的基本变量（自由度）是温度标量这些单元节点的基本变量（自由度）是温度标量 q q ABAQUSABAQUS中用自由度中用自由度1111表示温度。表示温度。节点温度输出变量为节点温度输出变量为 NT11.NT11.点单元点单元热容单元热容单元 HEATCAP HEATCAP 模拟在一点的集中热容模拟在一点的集中热容热容可以是温度或场变量的函数热容可以是温度或场变量的函数该单元可以在该单元可以在 ABAQUS/Explicit ABAQUS/Explicit 中使用中使用壳单元壳单元一阶和二阶插值用于轴对称单元一阶和二阶插值用于轴对称单元(DSAX1,DSAX2)(DSAX1,DSAX2)和三维（和三维（DS3DS3，DS4DS4，DS6DS6，DS8DS8）应用的壳单元包含有单元库中。壳单元用于模）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压力容器，管道系统和金属片元件等。等。热传导单元定义热传导单元定义-壳单元表面下方的温度自由度为壳单元表面下方的温度自由度为1111（输出变量为（输出变量为NT11NT11）-在正表面的温度自由度为在正表面的温度自由度为 10+n,n 10+n,n 为壳截面上使用截面点的数量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，默认为在单层（均质）壳中，截面点在厚度上均匀分布，默认为5 5个点个点-每层壳必须是奇数个截面点，这是由每层壳必须是奇数个截面点，这是由 ABAQUS/standard ABAQUS/standard 在厚度上使用分段抛物线在厚度上使用分段抛物线型插值方法决定的。型插值方法决定的。n nNT11NT11NT12NT12NT13NT13-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。壳的参考平面变化，也随厚度方向变化。热传导单元定义热传导单元定义复合材料壳单元复合材料壳单元材料材料1 1材料材料1 1材料材料1 1材料材料1 1t1t1t2t2t3t3t4t4多层复合材料热壳可以被构建多层复合材料热壳可以被构建每一层可以是不同厚度，不同主方向每一层可以是不同厚度，不同主方向的不同材料组成的不同材料组成材料特性在材料特性在*SHELL SECTION SHELL SECTION 中定义中定义:*SHELL SECTION,COMPOSITE*SHELL SECTION,COMPOSITELAYER1LAYER1的厚度，的厚度，温度自由度数量温度自由度数量(截面点数截面点数)，材料名，材料方向参考的材料名，材料方向参考的 orientation orientation 名名称称LAYER2LAYER2的厚度，的厚度，温度自由度数量温度自由度数量(截面点数截面点数)，材料名，材料方向参考的材料名，材料方向参考的 orientation orientation 名名称称LAYER3LAYER3的厚度，的厚度，温度自由度数量温度自由度数量(截面点数截面点数)，材料名，材料方向参考的材料名，材料方向参考的 orientation orientation 名名称称多层复合材料热壳的默认截面点数量为多层复合材料热壳的默认截面点数量为 3 3所有层的单层截面点数量必须相等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与载荷边界条件边界条件应力分析中，每个自由度都有一对共轭变量：应力分析中，每个自由度都有一对共轭变量：位移位移 -作用或反作用力作用或反作用力默认情况下位移是未知的，力是已知的。默认情况下位移是未知的，力是已知的。热传导分析中，这对共轭变量是热传导分析中，这对共轭变量是 温度温度 -热率热率(单位时间的能量流单位时间的能量流)默认情况下温度是未知的，热率是已知的默认情况下温度是未知的，热率是已知的-已知的热率已知的热率 =0=0，相当于绝热边界条件；相当于绝热边界条件；-没有外部的能量流进或流出节点。没有外部的能量流进或流出节点。ABAQUS ABAQUS 中的几种热边界条件和热载荷中的几种热边界条件和热载荷1.1.在某些节点上预设温度，在某些节点上预设温度，*BOUNDARYBOUNDARY，自由度自由度11112.2.在某些点上或者某些表面上或者体积内预设热率在某些点上或者某些表面上或者体积内预设热率 q q*CFLUX,*DFLUX,*DSFLUX*CFLUX,*DFLUX,*DSFLUX3.3.在某些点上或者某些表面上的边界层（薄膜）条件在某些点上或者某些表面上的边界层（薄膜）条件 *CFILM,*FILM CFILM,*FILM 和和*SFILMSFILM4.4.在某些点上或者某些表面上的辐射条件在某些点上或者某些表面上的辐射条件 *CRADIATE,*RADIATE,CRADIATE,*RADIATE,和和*SRADIATESRADIATE5.5.自然边界条件自然边界条件(默认默认)边界条件与载荷边界条件与载荷1.1.预设的温度预设的温度*BOUNDARY*BOUNDARYTNODETNODE，1111，1111，500500节点集节点集第一个第一个自由度自由度温度温度最后个最后个自由度自由度温度值不变温度值不变:变化的温度变化的温度:*BOUNDARY,AMPLITUDE=amp-1*BOUNDARY,AMPLITUDE=amp-1TNODETNODE，1111，1111，500500温度幅值温度幅值温度受幅值曲线温度受幅值曲线 amp-1amp-1控制控制1 11 1t t0 0幅值曲线幅值曲线变化的温度变化的温度5005001 1t t0 0T T温度的共轭反作用是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）热率（热能进入一个已经预设温度值的节点的流通率）输出变量输出变量:RFL:RFLn n边界条件与载荷边界条件与载荷2.2.预设的热流量（热率）预设的热流量（热率）节点的集中热流量节点的集中热流量(与自由度与自由度1111共轭共轭)通过关键字通过关键字*CFLUX CFLUX 施加施加*CFLUX*CFLUX，AMP=amp-1AMP=amp-1FNODEFNODE，1111，3030热率参考值热率参考值输入可以参考一个输入可以参考一个 AMPLITUDE AMPLITUDE 曲线，使得输入的热率可以随时间变化。输出变曲线，使得输入的热率可以随时间变化。输出变量量 CFLCFLn n 可以反映节点可以反映节点*CFLUX CFLUX 的当前值。的当前值。分布热流量分布热流量(通过关键字通过关键字*DFLUX DFLUX 或或 DSFLUX DSFLUX 施加施加q q*DFLUX*DFLUX 可以施加在面或体上可以施加在面或体上*DSFLUX DSFLUX 只能施加在面上只能施加在面上*DFLUX*DFLUX，AMP=amp-1AMP=amp-1ELHOLELHOL，S1S1，300300*DSFLUX*DSFLUX，AMP=amp-1AMP=amp-1SHOLSHOL，S S，300300边界条件与载荷边界条件与载荷3.3.边界层边界层(薄膜薄膜)条件条件-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-关键字关键字*CFLIMCFLIM，*FILM FILM 和和*SFILM SFILM 用于定义边界层条件。用于定义边界层条件。-边界层系数边界层系数 h h 是是 ABAQUS ABAQUS 的一个输入参数，量纲的一个输入参数，量纲:JL:JL-2-2T T-1-1q q-1-1-边界层系数的重要性边界层系数的重要性:热传导的结果严重依赖这个参数热传导的结果严重依赖这个参数典型的，典型的，h h 是流体雷诺数和流通温度的函数，但也与表面状况如粗糙是流体雷诺数和流通温度的函数，但也与表面状况如粗糙度，度，脏污和方位强相关，因此很难去特征化。脏污和方位强相关，因此很难去特征化。通常，需要用试验校准的方式来确定通常，需要用试验校准的方式来确定 h h 的取值。的取值。Film,coefficient hFilm,coefficient hq q流体，温度流体，温度q q*FILM PROPERTY,NAME=H1*FILM PROPERTY,NAME=H111.6E-6,4011.6E-6,4014.2E-6,6014.2E-6,6019.3E-6,8019.3E-6,80定义定义 h hh h是温度是温度q q的函数的函数边界条件与载荷边界条件与载荷3.3.边界层边界层(薄膜薄膜)条件条件*CFILM*CFILM 施加在节点上施加在节点上*CFILM*CFILMNODESETNODESET，100.100.，450450，2.3E-32.3E-3*FILM*FILM 二维情况下施加在单边上，三维情况下施加在单元面上二维情况下施加在单边上，三维情况下施加在单元面上*FILM*FILMELSETELSET，F3.F3.，450450，2.3E-32.3E-3面积面积温度温度h h温度温度h h*SFILM*SFILM 二维情况下施加在面上二维情况下施加在面上*FILM*FILMSURSETSURSET，F.F.，450450，2.3E-32.3E-3温度温度h h边界条件与载荷边界条件与载荷4.4.向环境的辐射向环境的辐射热传导中的另一种边界条件是黑体辐射热传导中的另一种边界条件是黑体辐射q=-A(Tq=-A(T4 4 T Te e4 4)*CRADIATE*CRADIATE 施加在节点上施加在节点上*CRADIATE*CRADIATENODESETNODESET，100.100.，450450，0.10.1EmissivityEmissivity（0101）*RADIATE*RADIATE 施加在单元上施加在单元上*RADIATE*RADIATEELSETELSET，R1.R1.，450450，0.10.1*SRADIATE*SRADIATE 施加在面上施加在面上*CRADIATE*CRADIATESURSETSURSET，R.R.，450450，0.10.1单元面编号单元面编号定义辐射边界条件，需要定义定义辐射边界条件，需要定义Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数和绝对零度常数和绝对零度 *PHYSICAL CONSTANTS,ABSOLUTE*PHYSICAL CONSTANTS,ABSOLUTEZERO=-273.16ZERO=-273.16STEFAN BOLTZMANN=5.6697E-8STEFAN BOLTZMANN=5.6697E-8边界条件与载荷边界条件与载荷4.4.向环境的辐射向环境的辐射辐射率辐射率 emissivity emissivity 是衡量一个表面有多接近理想黑体的指标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：一些常用材料的辐射率：Commercial aluminum sheet:0.09Commercial aluminum sheet:0.09Heavily oxidized aluminum sheet:0.2Heavily oxidized aluminum sheet:0.2Polished gold:0.02Polished gold:0.02Rusted iron plate:0.6Rusted iron plate:0.6Polished iron plate:0.07Polished iron plate:0.07Turned,heated cast iron:0.44Turned,heated cast iron:0.44Type 301 stainless steel:0.58Type 301 stainless steel:0.58Red brick:0.93Red brick:0.93Black shiny lacquer on iron:0.88Black shiny lacquer on iron:0.88White vamish:0.09White vamish:0.09Water:0.95 Water:0.95 边界条件与载荷边界条件与载荷4.4.向环境的辐射向环境的辐射是否需要考虑辐射边界条件是否需要考虑辐射边界条件FilmFilmRadiationRadiationHeat fluxHeat fluxSurface temperature Surface temperature 0 0200200100100Te=Room temp(23oC)h=10W/m2/oC辐射率辐射率=1温度越高，辐射现象越强温度越高，辐射现象越强边界条件与载荷边界条件与载荷5.5.自然边界条件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,q=0,即没有通即没有通过表面的热流：过表面的热流：理想绝热条件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，如外部热源温度外部热源温度 800800o oC C内部热源温度内部热源温度 400400o oC C稳态分析实例稳态分析实例二维热传导二维热传导x xy y1.01.00.50.5A AB BC CD DE E0.20.2Conductivity=52W/m/Conductivity=52W/m/o oC CFilm coefficient=750W/m2/Film coefficient=750W/m2/o oC CBoundary conditions:Boundary conditions:q=100=100o oC C along ABC C along ABHeat flux=0 along DAHeat flux=0 along DAConvection to ambient Convection to ambient temperature of 0temperature of 0o oC along BC and C along BC and CD CD Objective:Objective:Find q at EFind q at ETarget solution:18.3Target solution:18.3o oC at EC at E稳态分析实例稳态分析实例定义热传导率定义热传导率定义薄膜换热系数定义薄膜换热系数换热条件换热条件边界条件边界条件稳态分析实例稳态分析实例二维热传导二维热传导瞬态分析瞬态分析-有限元方法将问题在空间中离散化，对于瞬态传热问题，控制方程也必须通过时间积有限元方法将问题在空间中离散化，对于瞬态传热问题，控制方程也必须通过时间积分进行求解分进行求解-在在ABAQUS ABAQUS 中对瞬态固体传热进行时间积分的操作是利用后向差分算法：中对瞬态固体传热进行时间积分的操作是利用后向差分算法：-后向差分算法是后向差分算法是:相当的精确相当的精确无条件稳定的无条件稳定的-算法的稳定性非常重要，因为许多瞬态传热问题是在长的时间周期内进行分析的。算法的稳定性非常重要，因为许多瞬态传热问题是在长的时间周期内进行分析的。(典典型的是要到达到稳态条件）型的是要到达到稳态条件）瞬态分析瞬态分析-瞬态传热是扩散主导的过程瞬态传热是扩散主导的过程在对一些对外界条件改变的响应中，开始时温度随时间的变化很快，然而到后期，在对一些对外界条件改变的响应中，开始时温度随时间的变化很快，然而到后期，可以看到温度的缓慢变化。可以看到温度的缓慢变化。-在在ABAQUSABAQUS传热分析中，自动时间增量过程具有这种逻辑上内建的期望响应类型传热分析中，自动时间增量过程具有这种逻辑上内建的期望响应类型:指数指数衰减或增加。衰减或增加。-这种结合精确设置这种结合精确设置 DELTMX DELTMX 的方案，允许的方案，允许 ABAQUS/Standard ABAQUS/Standard 保持在所有分析阶段的整保持在所有分析阶段的整个过程中具有一致的精确性。个过程中具有一致的精确性。二维瞬态热传导例子二维瞬态热传导例子x xy y1.01.00.50.5A AB BC CD DE E0.20.2Conductivity=52W/m/Conductivity=52W/m/o oC CSpecific heat=434J/kg/Specific heat=434J/kg/o oC CDensity=7832kg/m3Density=7832kg/m3Film coefficient=750W/m2/Film coefficient=750W/m2/o oC CBoundary conditions:Boundary conditions:q=100=100o oC C along ABC C along ABHeat flux=0 along DAHeat flux=0 along DAConvection to ambient Convection to ambient temperature of 0temperature of 0o oC along BC and C along BC and CD CD Objective:Objective:Find Find q q at E at ETarget solution:18.3Target solution:18.3o oC at E at C at E at steady state.steady state.瞬态分析瞬态分析瞬态分析瞬态分析在稳态算例基础上，在稳态算例基础上，增加密度和比热参增加密度和比热参数数瞬态传热分析步设定瞬态传热分析步设定DELTMAXDELTMAX瞬态分析瞬态分析瞬态分析瞬态分析-DELTMAX-DELTMAX 是一个时间积分精度参数是一个时间积分精度参数在利用时间积分计算瞬态传热方程通过控制饿过程中，温度在每个时间最大允许的在利用时间积分计算瞬态传热方程通过控制饿过程中，温度在每个时间最大允许的温度变化值，来控制求解的精度。温度变化值，来控制求解的精度。配合使用自动时间增量方法，可以严格的控制时间增量步的大小，来满足配合使用自动时间增量方法，可以严格的控制时间增量步的大小，来满足DELTMAX DELTMAX 的设定。的设定。-如果计算过程中都能够满足如果计算过程中都能够满足 DELTMAX,ABAQUS/Standard DELTMAX,ABAQUS/Standard 会尝试尽量增大时间增量步。会尝试尽量增大时间增量步。自动时间增量步算法会尝试选择最优化的增量步时间，来兼顾计算精度和效率自动时间增量步算法会尝试选择最优化的增量步时间，来兼顾计算精度和效率-瞬态传热分析可以通过设定当温度变化小于设定值时停止计算瞬态传热分析可以通过设定当温度变化小于设定值时停止计算瞬态分析瞬态分析-瞬态传热分析中的瞬态传热分析中的 Initial conditionsInitial conditions可以再瞬态传热分析之前，设定一个初始的温度分布可以再瞬态传热分析之前，设定一个初始的温度分布如果没有给定初始值，如果没有给定初始值，abaqus abaqus 的默认初始温度为的默认初始温度为 0 0瞬态分析瞬态分析-最小可用时间增量步设置（仅最小可用时间增量步设置（仅ABAQUS/Standard ABAQUS/Standard 适用）适用）在对瞬态扩散过程的近似离散中，非常重要的一个问题是初始时间增量的选择。在对瞬态扩散过程的近似离散中，非常重要的一个问题是初始时间增量的选择。空间单元的大小和时间增量步之间的关系是：如果一个时间增量步太小，将会空间单元的大小和时间增量步之间的关系是：如果一个时间增量步太小，将会产生很多无用信息，并且事实上还好经常出现一些虚假的震荡的结果。产生很多无用信息，并且事实上还好经常出现一些虚假的震荡的结果。当使用二阶单元时，震荡会比较显著当使用二阶单元时，震荡会比较显著最小时间增量准则：最小时间增量准则：DtDt=时间增量时间增量r r=密度密度c=c=比热比热k=k=热传导率热传导率D Dl=l=在最大温度梯度区域靠近表面在最大温度梯度区域靠近表面的单元尺度的单元尺度非线性分析非线性分析-一个典型的传热分析会包含以下的一些非线性一个典型的传热分析会包含以下的一些非线性:材料非线性材料非线性:1.1.热传导率是温度的函数热传导率是温度的函数2.2.比热是温度的函数比热是温度的函数3.3.潜热效应，一种很强的非线性潜热效应，一种很强的非线性边界条件非线性边界条件非线性:1.1.具有辐射边界条件，有时也是一种很强的非线性具有辐射边界条件，有时也是一种很强的非线性2.2.换热系数是温度的函数换热系数是温度的函数3.3.任何热流边界条件中，热流是温度的函数任何热流边界条件中，热流是温度的函数-ABAQUS/Standard-ABAQUS/Standard 使用牛使用牛-拉迭代法，求解非线性问题的方程：拉迭代法，求解非线性问题的方程：热热“接触接触”-热量通过接触界面传导热量通过接触界面传导1.通过这些薄的界面进行传热是热分析的一个重要方面通过这些薄的界面进行传热是热分析的一个重要方面2.这些界面通常居于较低的导热率这些界面通常居于较低的导热率因此，在它们之间允许较大的温度差异因此，在它们之间允许较大的温度差异3.然而，薄的界面具有可以忽略的然而，薄的界面具有可以忽略的“热质量热质量”因此可以忽略界面内部的热能，假设它具有零比热因此可以忽略界面内部的热能，假设它具有零比热热热“接触接触”-热界面的例子热界面的例子流体速度曲线流体速度曲线流体边界层流体边界层芯片核心芯片核心载板载板表面表面1 1表面表面2 2在在ABAQUSABAQUS中，这种效应被模型化为中，这种效应被模型化为:机遇面之间的相互关系，这些面机遇面之间的相互关系，这些面(三维三维或二维或二维)通常是物理上很相近，但两边通常是物理上很相近，但两边具有不同的温度。具有不同的温度。这些面可以再不同物体上，也可以在同这些面可以再不同物体上，也可以在同一物体上。一物体上。热热“接触接触”-热量可以通过以下方式穿过界面热量可以通过以下方式穿过界面1.1.热传导，热传导，定义间隙热传导系数定义间隙热传导系数 *GAP CONDUCTANCE*GAP CONDUCTANCE2.2.热辐射，热辐射，定义间隙热辐射率定义间隙热辐射率 *GAP RADIATION*GAP RADIATION-通常以上两种传热模式都存在，它们的相对重要关系取决于表面温度和界面间的媒介通常以上两种传热模式都存在，它们的相对重要关系取决于表面温度和界面间的媒介:1.1.界面间存在一定物质：界面间存在一定物质：热传导相对重要一些。因为热辐射不需要中热传导相对重要一些。因为热辐射不需要中 间媒间媒介，中间媒介的存在反而会吸收掉辐射热能。介，中间媒介的存在反而会吸收掉辐射热能。热热“接触接触”如何定义如何定义1.1.定义表面定义表面2.2.定义定义接触对定义定义接触对与机械接触相同。与机械接触相同。只是定义接触关系属性时需要用热的条件只是定义接触关系属性时需要用热的条件*SURFACE INTERACTION,NAME=THERM1*SURFACE INTERACTION,NAME=THERM11.01.0*GAP CONDUCTANCE*GAP CONDUCTANCE20,020,020,120,1热应力分析热应力分析热应力分析过程热应力分析过程-ABAQUS 提供三种热应力分析程序：提供三种热应力分析程序：1.顺序耦合热应力分析，最常用的方法顺序耦合热应力分析，最常用的方法当应力是由热量场存在造成的，并且热求解过程与应力状态无关，也就是说应当应力是由热量场存在造成的，并且热求解过程与应力状态无关，也就是说应力依赖于热产生，而热并不依赖位移。力依赖于热产生，而热并不依赖位移。需要跑两个分析需要跑两个分析:先分析热传导，再将温度结果导热应力分析先分析热传导，再将温度结果导热应力分析热分析的结果，如温度热分析的结果，如温度(位置，时间的函数位置，时间的函数)被读入应力分析，作为一个预定义被读入应力分析，作为一个预定义场。场。2.完全耦合热应力分析，最常用的方法完全耦合热应力分析，最常用的方法应力依赖于温度场并且温度也依赖于应力场。应力依赖于温度场并且温度也依赖于应力场。只需要跑一个析。只需要跑一个析。3.绝热分析绝热分析这个分析的目的是模拟机械的变形产生局部的热量，但是时间很短，热传导不这个分析的目的是模拟机械的变形产生局部的热量，但是时间很短，热传导不明显明显所有的温度增加是在材料局部发生的，并且只影响局部材料点的机械属性所有的温度增加是在材料局部发生的，并且只影响局部材料点的机械属性。顺序耦合热应力分析顺序耦合热应力分析-在热传导分析中，温度是未知量在热传导分析中，温度是未知量 求解温度场求解温度场-在应力分析中，位移是未知量在应力分析中，位移是未知量节点的温度作为已知的外部载荷来产生热应变节点的温度作为已知的外部载荷来产生热应变:-对于静力学分析计算应变对于静力学分析计算应变:应力求解应力求解:这样，热场通过以下方式影响机械场这样，热场通过以下方式影响机械场:热膨胀热膨胀(收缩收缩)与温度相关的机械属性与温度相关的机械属性顺序耦合热应力分析顺序耦合热应力分析-热膨胀热膨胀一个未约束体在温度增加的情况下，通常会产生体积膨胀，这种应变与温度之间的特征一个未约束体在温度增加的情况下，通常会产生体积膨胀，这种应变与温度之间的特征因子成为因子成为:热膨胀系数热膨胀系数(Coefficient of Thermal expansion,CTE)(Coefficient of Thermal expansion,CTE)CTE CTE 可以定义为与温度相关的，也可以是各向同性或各项异性可以定义为与温度相关的，也可以是各向同性或各项异性使用使用 *EXPANSION*EXPANSION 定义定义 CTECTE*EXPANSION,TYPE=ISO,ZERO=20*EXPANSION,TYPE=ISO,ZERO=201.0E-6,100,11.0E-6,100,11.5E-6,200,11.5E-6,200,12.0E-6,100,22.0E-6,100,22.5E-6,200,22.5E-6,200,2计算公式计算公式:q q0 0:参考温度，参考温度，q qI I,初始温度初始温度CTE CTE 会随温度的增加而缓慢增加会随温度的增加而缓慢增加顺序耦合热应力分析顺序耦合热应力分析-热膨胀算例热膨胀算例