Abaqus 分析实例(4) - 使用复合材料模拟多层材料系统的稳态传热分析
本文使用”常规壳复合材料“来模拟多层材料系统传热。仍采用《分析实例(3)》中的示例。
如图所示，考虑一种由四层2.5 mm厚的材料制成的隔热板。每一层的长度和宽度为0.3m×0.2m，并采用金属（kc=150 W/m/℃）和聚合物（kc=1 W/m/℃）材料层。内部材料侧用200 W加热，外部保持在30 ℃。关注内部的最终温度。在此示例中，长度单位使用m，温度单位使用℃。
1. 几何模型与网格
假设每个材料层之间的界面是完全传热的。在该分析中，使用复合材料建模方式，因此创建壳单元，共 2400 个DS8单元。
2. 材料参数与复合材料属性
2.1 材料参数
由于只关注稳定状态时隔热板内部的温度，因此材料参数只需要热传导系数。金属材料的热传导系数为 150 W/(m•℃)；聚合物材料的热传导系数为 1 W/(m•℃)。
2.2 复合材料
定义 4 层复合材料，各层材料均为各向同性材料，每层厚度为0.0025 m。沿+Z向，叠层分别为聚合物、金属、聚合物、金属。在每一层中使用3个积分点，而一共有4个层，因此在厚度方向上一共有9个积分点（3个积分点*4层-3个积分点=9个积分点）。常规壳复合材料的创建方式详见
《Abaqus复合材料(2) – 常规壳复合材料建模过程》
使用查询工具查看复合材料堆叠结果。
3. 载荷与边界条件
3.1 表面热通量
由于使用壳单元，面区分正反向。在隔热板 +Z 向侧面施加表面热通量 Heat Flux=3333.33 W/m^2。（3333.33 W/m2×0.2 m×0.3 m≈200W）。幅值上的正号意味着热量被添加到面上。
3.2 温度
在隔热板 -Z 向侧面施加 30℃ 恒温。由于 Abaqus 中的边界条件应用于集 合而不是面集 合，因此要直接将温度边界条件分配到板的另外一侧不像使用实体单元那么容易。有两种方法可使用，但不能同时使用两者。
方法一：直接施加温度边界条件
由于这是一个复合材料，实际上通过厚度有 9 个温度自由度（NT11到NT19），根据复合材料定义中的设置，堆叠顺序是从 -Z 到 +Z 向，因此在隔热板 -Z 向侧面施加 30℃恒温，则应选择自由度11。
方法二：使用对流边界条件
可以对隔热板 -Z 侧面应用具有非常大的对流传热系数的表面薄膜(Surface film condition)边界条件。当对流传热系数足够大时，环境和板之间的传热几乎是瞬时的。对于对流传热有，因此将对流系数设置为1e6 W/(m^2•℃)，则温差大概在 
℃。
4. 计算结果
4.1 温度分布
在施加表面热通量区域温度上升46.8℃。在指定了温度条件的表面上，温度保持30℃不变。
注意，当使用壳单元或常规壳复合材料单元时，默认仅显示底部云图结果，若需同时显示壳底面和顶面结果，可以将主菜单 ”View“ -> ”Section Points“ 的 ”Action locations“ 选择为 ”Top and bottom“ （默认为 ”Bottom“）.
4.2 热通量
在各处的热通量(HFL)均为3333.3 W/m^2。这是因为，默认情况下，该模型中的其他表面表现为绝热边界，热量不能逃逸任何地方，只能从 +Z 表面流到 -Z 表面。
由 4.1 和 4.2 可知，当使用常规壳复合材料模拟多层材料系统时，所得结果与使用实体单元模拟结果完全一致。
4.2 渲染常规壳复合材料厚度
通常，当使用壳单元或常规壳复合材料时，后处理中仅显示平面结果，若需显示 3D 表示，则可以勾选主菜单的 ”View“ -> "ODB Display Options" 的 ”Render shell thickness“。
