ABAQUS顺序热力耦合分析实例

ABAQUS顺序热力耦合分析实例——冷却栅管的温度场分布与热应力分析


概述

本文章以冷却栅管作为一个典型例子，讨论并展示了如何使用ABAQUS软件进行稳态热分析及随后进行的热应力分析，以得出冷却栅管在温度作用下的温度场分布、位移和应力分布。由于冷却栅管具有轴对称结构且长度较大的特点，我们采用了简化有限元分析模型的方法。




有限元建模与材料属性定义


1. 模型创建和尺寸设定

首先在ABAQUS中创建轴对称可变形壳体。模型名义尺寸设定为1单位，使用`Create Line`功能定义封闭曲线以建立几何模型（例如：`（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）`），接着使用`Create Fillet`功能在模型的角部添加0.005的倒圆角。经过这一操作后，需要通过`右键选择`>`part`>`Features`>`Regenerate`操作保证模型的几何定义符合分析需求。

2. 材料属性设置

在ABAQUS的材料模块内，定义了密度（7800 kg/m³），弹性模量（1.93e11 Pa），泊松比（0.3）。对于热分析过程，在`Thermal`单元中引入了热导率（25.96 W/(m·K)）和比热容（451 J/(kg·K)）以补充材料属性。

加载与步设置


3. 截面属性与部件装备


加载设置遵循ABAQUS中常规的静力分析思路执行，包括截面属性定义和部件装备。


4. 热分析步骤设置

热分析步骤通过在`Edit Step`窗口内选择`Transient`类型分析并设置时间长度（3秒）来开始。注意到增量分析的设置对于后续的热应力分析尤为重要，该设置包含代表时间间隔的子步操作，确保了整个分析时间范围的准确计算。

5. 边界条件应用

左侧应用温度为100度的边界条件，而右侧和顶部温度为20度。应用`Creat BC`（边界条件）类型`Other>Temperature`以实现这些温度条件。

6. 网格划分

直径最小单元尺寸设定为0.005，讨论中的网格基于ABAQUS特定于热分析的`Heat Transfer`单元集来构建。模型采用全四边形结构化网格进行划分，以确保克服了有限元分析中长轴对称结构的挑战。

结果分析整理


7. 热分析结果提取

分析完成后，节点的温度分布通过变量`NT11`（对应节点温度）提取，该数据能够形象展现冷却栅管的温度场分布情况。

8. 热应力分析

在完成初始的热传导分析后，通过在模型树中复制第一个分析模型`Model1`，之后在复制模型中对该结构进行热应力分析的设定。重点关注热膨胀引起的结构变形及其对应应力影响的情况。

增加材料属性中的膨胀系数（1.62E5/°C），同时调整分析步为热力耦合分析步，以准确体现位移和力的变化过程。使用专门针对热力耦合分析的`Coupled TemperatureDisplacement`单元类型进行建模。

9. 结果呈现

最终通过计算阶段的`提交计算`操作，结果通过可视化工具呈现出来。考虑到模型几何长度和热传导特性的影响，`Mises 应力`分布图展示了分布式冷却栅管中心或关键结构部位的热应力反应情况，左端较高温度导致的衣服应力也相对较高。

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