传热与热应力分析,2,传热分析,传热分析类型,热传导 对流换热 热辐射,ABAQUS/Standard HEAT TRANSFER, STEADY STATE/TRANSIENT,例：暖气片,3,ABAQUS 中的传热分析特性,稳态响应、瞬态响应（包括自适应时间步长） 全套传热边界条件 材料属性（和载荷）可以与温度相关 热“接触”允许在“接触表面”有热流动 可以方便的将温度场导入热应力分析中,特性 潜热项（由相变产生）、强制对流 应力-热传导耦合分析功能 热传导壳单元(沿厚度方向温度梯度) 空腔辐射功能,4,材料的热学性质,热导率,- 温度 Temperature 单位 - 热能 Heat energy 单位 J - 热流量Q Heat rate power 单位 J/s or W - 热流密度q Heat flux 单位 J/s/m2,- 热传导率k（Conductivity） , 衡量物质中热量流动的能力， 单位 J/m/K 热流密度正比于热传导率和温度梯度:,5,材料的热学性质,比热,- 比热c（Specific Heat），衡量物质储存热能的能力，单位： J/kg/K,时间增量,温度增量,比热,密度,热扩散率,- 一维热传导公式,热扩散率,6,单元,连续体,连续单元：ABAQUS 中连续扩散热传导单元库包括: 一阶（线性）单元 二阶（抛物线）单元 用于一维，二维，轴对称和三维应用,单元命名规则:,DC3D20,扩散diffusion,连续体continuum,节点数,几何，3D单元,注意：这些单元节点的基本变量（自由度）是温度标量 q， ABAQUS中用自由度11表示温度。 节点温度输出变量为 NT11.,7,单元,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。,n,NT11,NT12,NT13,注意：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。,8,边界条件与载荷,应力分析中，每个自由度都有一对共轭变量： 位移 - 力 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 温度 - 热流密度 默认情况下温度是未知的，热率是已知的,1. 在某些节点上预设温度； 2. 在某些点上或者某些表面上或者体积内预设热率 q ； 3. 在某些点上或者某些表面上的边界层（薄膜）条件 ； 4. 在某些点上或者某些表面上的辐射条件 ； 5. 自然边界条件(默认),传热与应力分析的比拟,ABAQUS 中的几种热边界条件和热载荷,9,边界条件与载荷,边界层（薄膜）条件 Interaction,Film, coefficient h,q,流体，温度q,- 传热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 - 边界层系数 h 是 ABAQUS 的一个输入参数，量纲: W/m2/K - 传热结果严重依赖h，与流体、表面状况相关，需试验标定。,10,边界条件与载荷,辐射 Interaction,STEFAN-BOLTZMANN方程,q = -A(T4 Te4),定义辐射边界条件，需要定义Stefan-Boltzmann常数和绝对零度,Model Edit Attributes ABSOLUTE ZERO = -273.16 STEFAN BOLTZMANN = 5.6697E-8,辐射率 emissivity 衡量一个表面有多接近理想黑体的指标，01。,11,边界条件与载荷,自然边界条件,理想绝热条件（自然（无热载荷）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。,对称边界条件,12,问题（1）描述,Radiation in a Finned Surface,学习要点：传热分析（导热、换热、辐射）,材料属性,密度：7800 kg/m3,热导率：50 W/mK,比热：500 J/kgK,13,Step-1,Step-2,Step-3,14,15,热应力分析,ABAQUS 提供三种热应力分析程序 顺序耦合热应力分析 热求解过程与应力状态无关，应力依赖于热产生，而热并不依赖位移。 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(位置，时间的函数)被读入应力分析，作为一个预定义场。 完全耦合热应力分析 应力依赖于温度场并且温度也依赖于应力场。 绝热分析 模拟机械变形产生局部的热量，时间很短，热传导不明显 温度增加仅在局部发生，仅影响局部材料点的机械属性 。,16,顺序耦合热应力分析,- 在热传导分析中，温度是未知量 求解温度场 - 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: - 对于静力学分析计算应变: 应力求解: 热场通过热膨胀(收缩)和温度相关的机械属性影响机械场。,17,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因子为: 热膨胀系数(Coefficient of Thermal expansion, 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,顺序耦合热应力分析,18,问题（2）描述,冬天向较厚的玻璃杯中倒入开水，问：玻璃杯内壁先开裂还是外壁先开裂？,学习要点：热应力,100,0,19,温度变化,20,21,应力变化,22,23,祝各位毕业生： 前程似锦！,