接触面热传递与热结构耦合分析技术

1 概述

热传递与热结构耦合分析在CAE仿真计算中经常出现，而仿真模型有些时候存在接触非线性关系，温度场需要通过接触面进行传递，这就涉及到接触面的设置等问题，如何处理接触关系，尤其是温度场计算时的接触关系决定到温度场是否能够正确传递。

本次以一个双管模型，如图1所示，双层管之间存在初始间隙，内层管的外表面与外层管的内表面属于接触关系，在内层管内表面的压力作用下，两接触面必然会发生接触，传递温度载荷和结构载荷。

图1 几何模型

计算热结构耦合场有几种方法，比较常用的是间接耦合的方法，即先进行温度场的计算，然后再进行耦合计算，将热分析和结构分析分开。

2 温度场计算

采用Abaqus建立模型，设置材料参数，材料参数包括热参数和结构参数。

具体如图2，包括弹性模量、泊松比、塑形参数、热传导系数、热膨胀系数、比热容，本次实例的材料参数均设置的随温度有关，故设置了多个值。

图2 材料属性定义

建立Assembly同正常一样。

建立载荷步Step时，需要考虑是瞬态温度分析还是稳态，建立热传递载荷步注意选择Heat transfer，如图3所示，在根据图4选择稳态传递还是瞬态传递，以及时间的设定。

图3 载荷步定义1

图4 载荷步定义2

接着在Interaction模块下，需要定义接触面的关系。通常结构分析时直接通过Interaction Manager管理器定义接触，而温度场传递时这样处理肯定是不可以的，而是需要建立绑定关系，也就是定义Tie，绑定两个接触面即可，如图5。同时，如果模型表面存在热传导，需要定义对流传导参数。

图5 定义Tie属性

再接着，在Load模块，需要通过Predefined Field定义初始温度场，一般初始温度全都定义为20度。

图6 初始温度场定义

再接着，在Mesh模块下，划分网格，接触面的网格不一定非要全部节点能够对应，需要注意的是划分单元的选择，如图7，应该选择Heat Transfer单元，否则不可以计算。

图7 Heat Transfer单元

之后进入Job模块，创建Job并求解，求解得到温度场分布如图8，图中很明显，双层管的温度场分布是连续的，并且接触面的温度场基本一致，表示接触面的温度场正确传导。

图8 温度场

3 热结构耦合

计算出温度场之后即可在此基础上进行热结构耦合分析，直接复制热分析的Model，在此基础上作修改。需要修改的地方：

1）Step模块

定义两个载荷步（根据需要，第二个载荷步是耦合），如图9，Static载荷步，在第二个耦合载荷步里面属于稳态求解，定义一个子步就可以。

图9 热结构耦合载荷步定义

2）Interaction模块

在此需要将Tie删除，并且重新建立接触关系，即Contact关系。

3）Load模块

需要施加载荷和边界条件，并且在第二个载荷步时导入温度场，如图10所示，选择温度载荷的类型为：From Results or Output Data Files；通过FileName指定计算的温度场，并且下面的Begin Step表示从前一步计算的温度场的第一个载荷步导入，因为本次温度场是稳态的，只有一个载荷步，所以是1。

图10 导入温度场

3）Mesh模块

在这个模块下面需要将单元类型换回结构单元。

4）Job模块

重新创建Job，计算热结构耦合应力。

说明：本文没有非常详细地说明每一步操作，都是基于有一定的Abaqus基础，只是说明了所有需要注意的问题，为有相关疑问的朋友提供一点思考的方向。

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