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基于ABAQUS的铝合金热力耦合分析
dΩ
⎟ ⎟
=
0
Ω
⎝Ω
Sp
Ω
⎠
此式为热应力问题的虚功原理。
1.3 有限元分列式
设单元结点位移向量为
[ ] qe = u1 v1 w1 L un vn wn
与一般弹性问题的有限元分析列式一样,将单元内的力学参量都表示为节点位移的
函数关系,即
u = Nqe ε = Bqe
( ) σ = D ε − ε 0 = DBqe − Dε 0 = Sqe − DαT ∆T [1 1 1 0 0 0]T
意性,消去该项可得:
Keqe = Pe + P0
其中
∫ K e = BT DBdΩ
Ω
∫ ∫ Pe = N TbdΩ + N T pdA
Ωe
S
e p
∫ P0e = BT Dε 0dΩ Ωe
此外的 P0e 称为温度等效载荷。可以看出,与一般弹性问题相比,有限元方程的载荷端 增加了温度等载荷 P0e
–3–
-I-
基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合数值分析
Coupled thermal-mechanical simulation of aluminum alloy based on ABAQUS Abstract
There are two methods to solve the coupled thermal mechanical problem using ABAQUS, transfer thermal mechanical coupling and full thermal mechanical coupling analysis. In the transfer mechanical coupling analysis, we solve the thermal problem first, then treat the temperature as the known conditions to solve the mechanical problem.Whereas in the full thermal mechanical coupling analysis the stress and temperature impact each other, we need to solve the two problem in a same time. In this paper the coupled thermal mechanical analysis model of aluminum alloy thick plates was built using ABAQUS. The mechanical and thermal property of the aluminum are changed with the temperature, use the transfer thermal mechanical coupling analysis, we get the temperature first, then use the temperature as a condition to solve the mechanical problem, then we get the distribution of the stress, strain and temperature in the structure, then we compare the result with the full thermal mechanical coupling’s result. Key Words:Aluminum alloy;Transfer thermal mechanical coupling;full thermal mechanical coupling;ABAQUS
基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合分析
Coupled thermal-mechanical simulation of aluminum alloy based on ABAQUS
学 院(系):运载学部
专
业:航空航天力学与工程
学 生 姓 名:盛国雨
学
号:21203025
手 机 号 码:15524645442
温度/ ℃
0 25 60 100 200 300 400 500
导热系数/ (W•m-1•℃-1)
155.0 156.0 158.3 161.0 175.0 185.0 193.0 197.0
表 1,7075 铝合金材料特性
比热容/
弹性模量/
(J•kg-1•℃-1) GPa
830
73.33
860
72.00
⎞
∫ ( ) ∫ ∫ Dijkl
ε kl
−
ε
0 ij
δε
ij
dΩ
−
⎜ ⎜
biδu jdΩ +
piδui
dA
⎟ ⎟
=
0
Ω
⎝Ω
Sp
⎠
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基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合数值分析
⎛
⎞
∫ ∫ ∫ ∫ Dijkl
ε
klδε
ij
dΩ
−
⎜ ⎜
biδu jdΩ +
piδuidA +
Dijklε
i0jδε
ij
−µ
σ yy
+ σ xx
+ αT ∆T
⎪
⎪γ ⎩
xy
=
1 G τ xy ,γ yz
=
1 G τ yz ,γ zx
=
1 G τ zx
可以将上式写成
( ) εij
=
D σ −1 ijkl kl
+ ε i0j或者σ ij
=
Dijkl
ε kl
−
ε
0 ij
其中
[ ε
0 ij
=
αT ∆T
αT ∆T
αT ∆T
0
0
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基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合数值分析
图 1 部件图
图 2 材料属性定义图
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基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合数值分析
2.2.2 定义材料属性 进入属性模块,点击“创建材料”工具,输入材料名 aluminum alloy,输入基本条 件中的材料属性中的密度、导热系数、比热容、弹性模量、热膨胀系数和屈服强度,其 中导热系数、比热容、弹性模量、热膨胀系数和屈服强度随温度变化发生变化,在输入 数据时选择使用与温度相关数据,如图 2 所示。 2.2.3 定义截面属性 点击工具区中的创“建截面”工具,输入截面名 Plate-Section,类别选实体,类型 选择连续,材料选取之前定义的 aluminum alloy,完成截面创建操作,点击工具区中的 分配截面,选择梁,将 Plate-Section 赋值给厚板。 2.2.4 装配部件 进入装配模块,点击工具区中的”将部件实例化”工具,选择 Plate,选择独立类 型,完成装配定义。 2.2.5 设置分析步 进入分析步模块,点击工具区的“创建分析步”工具,命名为 Heat-flux ,选择“热 传递”作为分析类型,基本信息为“瞬态”响应,时间长度为600 S,增量步选择“固 定”类型,最大增量步数100,增量步大小为10 S,其他选项使用默认选项。可得增量 步数应为60. 2.2.6 定义载荷和边界条件 进入载荷模块,点击“创建边界条件”,分析步选择“Initial”,类别选择力学中 的“对称/反对称/完全固定”,选择两个侧面,选中全部固定,加完力学边界条件。 点击“创建预定义场”,分析步选择“Initial”,选择其他中的温度选项,选择整 个厚板,输入温度大小为20℃,完初始温度设定。 点击菜单栏中的工具选项,工具选项中的幅值,采用默认名称Amp-1,类型选择表, 输入时间为 0 时刻值为20000,600时值为20600,完成对幅值的定义。 点击“创建载荷”,分析步选择“Heat-flux”,选择热学中的表面热流,然后选中 铝合金厚板上表面,大小为1,幅值选择刚才定义的Amp-1,完成热流定义,结果如图3 所示。
- II -
基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合数值分析
引言
根据传热问题的分类和边界条件的不同,可以将热分析分成几种类型:与时间无关 的稳态热分析和与时间有关的瞬态热分析;材料参数和边界条件不随温度变化的线性传 热,材料和边界条件对温度敏感的非线性传热;包含温度影响的多场耦合问题。
ABAQUS可以求解以下类型的传热问题。 (1) 非耦合 传热 分析。 此 类分析中 ,模型温度 场不受 应力应变场 的影响。 在 ABAQUS/Standard中可以分析热传导、强制对流、边界辐射等传热问题,其分析类型可 以是瞬态或稳态、线性或非线性。 (2)顺序耦合热应力分析。此类分析中的应力应变场取决于温度场,但温度场不受 应力应变影响。此类问题使用ABAQUS/Standard来求解,具体方法是首先分析传热问题, 然后将所得到的温度场作为已知条件,进行热应力分析,得到应力应变场。分析传热问 题所使用的网格和热应力分析的网格可以不一样。 (3)完全耦合热应力分析。此类分析中的应力应变场和温度场之间有点强烈的相互 作用,需要同时求解。可以使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit来求解此类问题。 本文通过使用 ABAQUS 建立铝合金厚板的热力耦合分析模型,其中铝合金的材料力 学和热学材料属性都随着温度的变化而发生变化,分别使用顺序耦合分析和完全耦合分 析,最后得到两组铝合金厚板的应力、应变、温度等的分布规律,对两组结果进行比较 分析。
邮
箱:yhyguoyu123@
大连理工大学
Dalian University of Technology
基于 ABAQUS 的铝合金热力耦合数值分析
摘要