Abaqus-之热分析
概述传热是许多行业需要考虑的重要因素，包括推进、电子、制造和暖通空调。这种情况可以通过三种模式发生：传导、对流和辐射。在本文中，我们将介绍这些模式的基础知识以及如何在AbaqusCAE中实现它们。传导传导是由于介质内直接接触而产生的热传递过程。我们通常认为传导发生在固体内，但它也可以通过液体和气体发生；然而，固体的密度通常使它们成为最好的导热体。一个例子是铸铁锅——如果你把它放在炉子上很长时间，即使手柄没有直接接触任何热量，手柄最终也会变热。这是由于锅内传导造成的！传导控制方程为：其中Q是传热速率，k是热导率，A是表面积，L是厚度，T2是源温度，T1是汇温度。导热率是一种材料属性-较高的值意味着材料的导热性更强，而较低的值意味着材料的绝缘性更强。这是任何热有限元分析所必需的。一些热导率如下表所示：当两个接触表面之间发生传导时，通常会损失一些热量，具体取决于许多因素，例如表面光洁度、材料和接触压力。这称为接触热导或间隙热导。接触表面之间的传导热传递可定义为温差、表面之间的接触面积以及界面热导值hc的函数。这种现象的另一个常见术语称为接触热阻，仅为1/(hcA)。思考这个问题的一种方法是考虑烤牛排。如果你在没有任何油的情况下将牛排放入锅中，由于牛排与锅的物理接触不均匀，你不会得到那么好的烤焦效果。添加油可以填充这些微小的间隙，并增加与锅的接触，从而获得更好的烘烤效果。在AbaqusCAE中模拟传导零件内的传导自动成为任何热分析的一部分，因为导热率是稳态和瞬态热分析所需的材料参数。默认情况下，当表面接触或连接时（以近似界面上匹配温度的条件），Abaqus会分配一个非常高的hc；当表面不接触时，hc=0。这可以作为CAE中的接触属性或通过*GAPCONDUCTANCE关键字手动覆盖。对于物体之间的接触传导，可以使用热传导属性。接触电导可以设置为间隙和/或接触压力的函数。用户子程序GAPCON还可用于定义hc以获得最大的灵活性.对流对流是由于流体运动而产生的热传递过程。这方面的一些例子包括空调、地幔中的对流和沸腾的水壶。对流控制方程为：其中Q是传热速率，h是对流传热系数，A是表面积，T2是源温度，T1是汇温度。传热系数取决于许多因素，包括流体性质、表面粗糙度、流动类型和流速等。在AbaqusCAE中模拟对流由于对流涉及流体，因此CFD通常用于流体的温度或运动很重要的情况（本博客未介绍）。如果对流体本身进行建模并不重要，我们可以通过薄膜条件来近似对流对固体的影响。在传热步骤中，可以在AbaqusCAE的交互模块中或通过关键字*SFILM添加表面膜条件。膜系数相当于传热常数h。还需要声明水槽温度。辐射辐射是不涉及介质、而是通过电磁波发生的热传递过程。即使在真空中，这种情况也可能发生——这就是我们获取太阳能的方式！每个物体都可以发射和吸收辐射；然而，当温差很大时，其影响最为突出。辐射的控制方程为：其中Q是传热速率，ε是物体的发射率，σ是Stefan-Boltzmann常数(5.67x10⁻⁸Wm⁻²K⁻⁴)，A是表面积，T是源温度，并且T₁是水槽温度。发射率范围从0到1；完美辐射器的发射率为1，而完美反射器的发射率为0。现实生活中的物体会介于两者之间，具体取决于表面颜色、表面质量和材料成分等因素。在AbaqusCAE中模拟辐射对于物体之间的辐射，可以使用辐射接触特性。这可以通过AbaqusCAE或通过关键字*GAPRADIATION来完成。所需的变量是两个表面的发射率和作为表面之间间隙函数的视角因子。视角系数是主表面发射的总辐射中有多少被次表面吸收的一小部分。对于模型外部物体的辐射，我们可以使用表面辐射。其过程与表面膜条件类似。所需的变量是发射率和环境温度。这可以通过AbaqusCAE或通过关键字*SRADIATE来完成。最后，对于外壳内的辐射，我们可以使用腔辐射。首先，需要具备空腔辐射特性。这将在定义交互时使用。空腔可以定义为封闭（不暴露于环境温度）或开放。此功能的计算成本可能非常高，因此最好在可能的情况下与对称性和并行分解结合使用。总结这里总结了传热的三种主要形式：传导——由于介质内的直接接触而传递的热量对流——由于流体运动而传递的热量辐射——无介质的热传递所有三种传热模式都可以在有限元分析中考虑。当然，传热比我在本文中介绍的要复杂得多。来源：ABAQUS仿真世界
