齊鵬遠(yuǎn)　劉偉杰

摘 要：ABAQUS是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，尤其在處理非線性問題上具有較大的優(yōu)勢。利用熱傳導(dǎo)問題的算例，介紹了ABAQUS軟件熱傳導(dǎo)分析各步驟模塊。通過算例中鋼板和施熱介質(zhì)接觸傳熱時(shí)的溫度分布云圖以及溫度隨時(shí)間變化曲線，了解了ABAQUS軟件強(qiáng)大的分析及處理的功能。同時(shí)，為進(jìn)一步利用ABAQUS軟件進(jìn)行非線性問題分析做好了理論上的鋪墊工作。

關(guān)鍵詞：ABAQUS 熱傳導(dǎo) 有限元分析 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：V231.1+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0135-02

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對(duì)簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析及壓電介質(zhì)分析[1-2]。但是ABAQUS在中國的普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如同類CAE軟件ANSYS，不僅國內(nèi)翻譯的中文圖書較少，而且上機(jī)操作基本要按ABAQUS所提供的手冊(cè)進(jìn)行，尤其對(duì)于熱分析領(lǐng)域問題的介紹就更不多見。

熱分析是用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。ABAQUS熱分析的傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種[3-4]。文章基于某鋼板在加熱爐中接觸加熱的案例對(duì)ABAQUS在熱傳導(dǎo)問題上進(jìn)行分析研究。

1 ABAQUS熱傳導(dǎo)類型和關(guān)鍵問題

溫度差是傳熱的基本條件。熱總是由高溫傳向低溫。根據(jù)傳熱過程中溫度是否隨時(shí)間變化，傳熱可分為兩種熱態(tài)，即穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱。ABAQUS熱傳導(dǎo)模塊與之對(duì)應(yīng)也分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種。穩(wěn)態(tài)代表物體各處溫度不隨時(shí)間變化的傳熱過程；瞬態(tài)代表吸收或放出熱能使溫度隨時(shí)間發(fā)生變化的傳熱過程[5]。熱傳導(dǎo)分析過程中需要考慮到很多條件及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，這些都是做熱傳導(dǎo)分析的關(guān)鍵問題[6]。

1.1 介質(zhì)與物體表面間綜合給熱系數(shù)α

介質(zhì)與物體表面間綜合給熱系數(shù)α是指加熱或冷卻介質(zhì)與物體表面之間傳遞熱量的能力。單位為W/m2·℃。其參數(shù)的設(shè)定在ABAQUS相互作用模塊下接觸屬性中對(duì)熱傳導(dǎo)項(xiàng)進(jìn)行定義，具體又可基于介質(zhì)與物體之間的距離或壓力等來進(jìn)行賦值。

1.2 設(shè)定模型的初始溫度場

初始溫度場是ABAQUS中物體開始加熱時(shí)的溫度環(huán)境?？梢詫?duì)傳熱介質(zhì)和受熱物體同時(shí)或分別進(jìn)行設(shè)置。在軟件中，可以在施加載荷模塊中預(yù)定義場的設(shè)定中直接給出溫度值或者讀入之前所做傳熱分析的結(jié)果文件。

2 算例

此算例基于某普碳鋼板在加熱爐中受兩塊施熱介質(zhì)（材質(zhì)為Cr25Ni20的鋼塊）夾持接觸時(shí)的受熱過程，詳細(xì)介紹ABAQUS熱傳導(dǎo)分析的基本流程。

2.1 前提條件

加熱爐中環(huán)境溫度為1 150 ℃，爐內(nèi)放有2塊施熱介質(zhì)，尺寸為（300×200×50）mm，此時(shí)施熱介質(zhì)溫度已經(jīng)達(dá)到爐膛內(nèi)溫度，即1 150 ℃。受熱鋼板尺寸為（300×200×1）mm，初始溫度為20 ℃。模擬分析受熱鋼板被施熱介質(zhì)夾持接觸30 s后鋼板與施熱介質(zhì)的溫度分布情況。

2.2 模型建立

進(jìn)入Part模塊，在部件管理器中分別創(chuàng)建施熱介質(zhì)和鋼板模型。為后期直觀表達(dá)溫度場分布，此算例中采用完整的3D模型。

2.3 材料屬性定義

進(jìn)入Property模塊，輸入材料相應(yīng)屬性。對(duì)鋼板和施熱介質(zhì)的材料密度、比熱、傳導(dǎo)率進(jìn)行設(shè)定，其相應(yīng)數(shù)據(jù)可從相關(guān)材料手冊(cè)中查取。

2.4 分析步的設(shè)定

進(jìn)入Step模塊，初始Initial分析步已經(jīng)由系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定，為達(dá)到加熱30 s的時(shí)間設(shè)定，可新建heat分析步，在時(shí)間長度內(nèi)設(shè)定30。為了后期分析數(shù)據(jù)的方便，可在增量的設(shè)定中，采用固定的類型，最大增量步數(shù)設(shè)為150，增量步大小設(shè)為0.2。其余采用默認(rèn)設(shè)定。

2.5 相互作用設(shè)定

進(jìn)入Interaction模塊，對(duì)施熱介質(zhì)與鋼板之間的綜合給熱系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。首先進(jìn)入接觸屬性管理器，選擇基于距離的類型，定義給熱系數(shù)。參考實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)距離為0，即相互接觸時(shí)的給熱系數(shù)設(shè)定為10。之后進(jìn)入相互作用管理器，進(jìn)行接觸面的選擇并將之前設(shè)定的接觸屬性進(jìn)行賦值。

2.6 加載設(shè)定

進(jìn)入Load模塊，首先對(duì)預(yù)定義場進(jìn)行創(chuàng)建。進(jìn)入預(yù)定義場管理器，在Initial分析步中，選取施熱介質(zhì)模型，對(duì)施熱介質(zhì)溫度設(shè)定為1 150 ℃；選取鋼板模型，對(duì)鋼板溫度設(shè)定為20 ℃，其余默認(rèn)即可。

2.7 網(wǎng)格劃分

進(jìn)入mesh模塊，對(duì)鋼板部件進(jìn)行定義，先設(shè)定網(wǎng)格控制屬性，選擇結(jié)構(gòu)六面體單元，然后分別設(shè)置局部和全局尺寸，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。之后，對(duì)施熱介質(zhì)分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分過程與鋼板類似。

2.8 作業(yè)提交與結(jié)果分析

在Job模塊中，該模型文件讀取后，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，然后點(diǎn)擊Submit提交作業(yè)。在監(jiān)控分項(xiàng)卡中可以實(shí)時(shí)觀察模擬分析進(jìn)展。當(dāng)計(jì)算結(jié)束后，點(diǎn)擊Results進(jìn)入Visualization模塊對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行分析。由于該模擬主要針對(duì)溫度進(jìn)行分析，所以在主參數(shù)中選擇NT11（ABQUAS中NT11默認(rèn)為溫度參數(shù)），溫度分布云圖如圖1所示。

由于施熱介質(zhì)對(duì)鋼板不斷傳遞熱量，施熱介質(zhì)溫度由外表面向內(nèi)表面逐漸降低，內(nèi)表面溫度與鋼板溫度保持一致。對(duì)鋼板進(jìn)行溫度分析，其溫度分布云圖如圖2所示?？梢婁摪寮訜?0 s后整體溫度已經(jīng)達(dá)1 100 ℃。

30 s內(nèi)鋼板的溫度變化曲線圖，如圖3所示。從圖中可見，鋼板受到施熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)作用，從室溫20 ℃開始升溫，溫度隨時(shí)間的增加不斷升高，在前2 s內(nèi)鋼板溫度升高速度較快，迅速達(dá)到1 000℃左右，之后升溫速度明顯減慢，30 s后溫度趨于穩(wěn)定，達(dá)到1 100 ℃。

30 s內(nèi)施熱介質(zhì)內(nèi)表面的溫度變化曲線，如圖4所示。從圖中可見，由于施熱介質(zhì)與鋼板剛剛接觸時(shí)，施熱介質(zhì)內(nèi)表面與鋼板溫差較大，此時(shí)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象非常明顯，施熱介質(zhì)內(nèi)表面溫度從1 150℃迅速下降至980 ℃左右，之后施熱介質(zhì)內(nèi)表面溫度受厚度方向溫度的傳導(dǎo)開始逐漸升高，升高至1 100℃時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語

ABAQUS軟件在處理非線性問題上具有明顯的優(yōu)勢，文章利用熱傳導(dǎo)問題的算例，求解了某鋼板接觸受熱時(shí)的溫度分布以及施熱介質(zhì)的溫度分布，通過相關(guān)的溫度分布云圖以及溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出ABAQUS軟件具有強(qiáng)大的分析及處理的功能。文章作為ABAQUS軟件在熱傳導(dǎo)問題上初步的探索，為進(jìn)一步利用ABAQUS軟件進(jìn)行非線性問題分析打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 莊茁.ABAQUS/Standard有限元軟件入門[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 路明，朱凌云.基于ABAQUS汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋溫度場分析[J].汽車工程師，2012（1）：42-44.