Abaqus 分析实例(1) - 沿杆的稳态热分析

此示例详述在 Abaqus 中如何进行稳态传热分析。示例中模拟长杆的热传导，在杆的一端施加恒定温度，在另一端加热。不考虑长杆与空气之间的对流。在此示例中，长度单位使用 mm，温度单位使用 ℃。

1. 几何模型

在 Abaqus/CAE “Part” 模块通过拉伸创建长为 100mm，横截面为 5mm * 5mm 的方形杆。

2. 材料参数

使用导热效果非常好的铜材料，其热传导系数为 390 mW/(mm • ℃)。由于是进行稳态传热分析，因此材料参数仅需定义热传导系数即可。

3. 分析步

稳态热传导分析即不关注模型各个位置的温度随时间的变化，仅关注最终达到热平衡时，模型的温度分布。在分析步定义的 "Base" 标签下的 "Response" 中选择 "Steady-state"；在 "Incrementation" 标签下，使用自动时间增量 (Automatic)，定义初始时间增量 (Initial) 为 0.1。

4. 载荷及边界条件

在进行热分析时，温度是自由度，即求解变量。对于稳态热分析，需在模型中的某些区域定义温度边界条件，否则由于热量传入或传出模型，模型的温度将趋于无穷或降到绝对零度以下。

4.1 边界条件

在长杆的左端施加恒定的温度50 ℃，在整个分析过程中，左端将一直保持为 50 ℃。  

4.2 载荷  

在长杆的右端加热，传热速率。因此热通量为，在Abaqus中使用"Surfaceheat flux"来定义。

5. 网格

网格密度为 1mm，使用 DC3D8R 热传导单元，其节点仅具有温度自由度。

6. 计算结果

在 Abaqus 的后处理中，可以查看稳态传热分析的结果。其中 GRADT3 是Z轴方向上，单元积分点处的温度梯度；NT11 是节点温度。  

6.1 温度梯度

长杆在 Z 轴方向上的温度梯度矢量图

由 可计算出长杆中的温度梯度理论值为。由 Abaqus 计算得到的长杆的温度梯度为 -1.026 ℃/mm，这与理论值 一致。

6.2 温度分布

长杆温度分布云图

由，可以计算出模型加热端的温度为。由Abaqus计算得到的长杆加热端的温度为 152.6 ℃，这也与理论值保持一致。