ABAQUS多物理场---热学分析

稳态热力学分析：

• 稳态分析是指在传热方程中忽略控制方程中的内能项（比热项）来计算温度场的一种方法。因此，这种问题不涉及时间尺度，也就是说没有内在的物理意义的时间尺度，类似于稳态结构场不考虑动力学效应一样。

• 在稳态分析中，增量和载荷的设置类似于静态结构场。载荷步设置包括设定每个增量步内允许的最大发射率改变值。如果该分析步内的发射率改变值超过该值，将会导致不收敛。

  

• 这个发射率改变值通常是通过试错法进行调整，以确保稳态分析的收敛性。在实际应用中，需要根据具体的问题进行调整，并结合经验进行选择。对于比较复杂的问题，可能需要进行多次尝试才能找到适当的参数设置，以保证计算的精度和收敛性。

• 总之，稳态分析是一种非常常用的计算温度场的方法，它可以广泛应用于各种工程领域，如航空航天、汽车制造、能源、建筑等。

瞬态热力学分析：

• 类似于结构动力学分析的载荷步时间增量设置方法，通过分析温度变化来模拟物体受热的过程，一般需要设置终止计算的条件，常见的条件是当温度变化小于预设的目标值时终止计算。这个选项可以用于将瞬态分析应用于求解稳态问题，即当温度变化较小时，可以认为物体已经处于稳态。

• 除了设置终止计算的条件外，还需要设定每个增量步内允许的温度变化量以及发射率的改变量。这两个变量对于分析结果的准确性至关重要。温度变化量的设定需要根据具体的问题进行调整，一般来说，步长越小，分析结果越精确。发射率的改变量可以根据材料的特性来设定，通常是在0.01左右。

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ABAQUS中的热学分析

        纯传热问题是指在不考虑被研究物体中的应力/变形或电场的情况下计算温度场的方法。它通常涉及传导、边界对流和边界辐射，并且可以是瞬态的或稳态的，可以是线性的或非线性的。

        在ABAQUS中的热力学中，主要涉及固体中的传热，同时也可以包括空腔辐射效应。此外，可以通过网格的强制对流来模拟传热，需要在单元设定中勾选强制对流/扩散传热选项。在ABAQUS中，还可以考虑热相互作用，例如间隙辐射、电导和接触表面之间的热产生。此外，用户可以通过使用定义在子程序UMATHT中的热材料行为来模拟热行为。最后，在ABAQUS中需要使用传热元件来模拟热传递。

热场---非线性的来源

        与温度相关的材料特性：此类非线性是温和的，因为特性不会随温度剧烈变化。然而，当包括潜热效应(指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量)时，分析可能是严重非线性的。

        边界条件通常是非线性的：例如，膜层换热系数(film coefficients)可以是表面温度的函数。同样，非线性通常是温和的，几乎不会造成收敛困难。辐射效应总是使传热问题变得非线性。辐射的非线性随着温度的升高而增加。

涉及严重非线性的稳态问题有时作为瞬态问题求解，可能更有效地解决。所需的稳态解可以通过非常长时间的瞬态响应获得（瞬态稳定）。

        在涉及空腔辐射或强制对流/扩散元件的传热分析中，方程组是不对称的。在这些情况下，将自动调用非对称矩阵存储和求解方案。

非对称矩阵存储和求解方案选项

预定义场与热通量

预定义场：

        预定义温度场只能在初始载荷步中进行定义，这是因为温度场在后续的载荷步中可能会发生变化，而在初始载荷步中定义的预定义温度场变量将为后续载荷步提供温度场的初始状态。因此，在使用预定义温度场时，用户需要特别注意载荷步的定义和顺序，以确保结果的准确性。

        可以为有限元分析中的部件指定初始温度。默认情况下，预定义温度场的初始温度为0。但是，用户可以使用预定义场的方式为特定部件指定初始温度。

这个功能的一个重要用途是为了手动指定一个系统的初始温度，这对于某些实际应用场景非常重要。例如，在某些工程应用中，部件在开始运行之前需要预先加热到一定的温度，否则可能会出现故障或事故。

        还可以引用已完成的分析结果的温度场变量来进行温度场的初始化。这个功能非常方便，因为它可以大大减少用户的工作量，尤其是当用户需要进行一系列的温度场分析时。用户只需要运行一次分析，然后可以使用该结果为后续分析提供温度场变量。

直接指定的热交换条件：

        适用于非凹面和非反射环境的能量交换

        实体单元的温度自由度是11，对于shell单元来说12与13也是温度自由度。对于一个纯传热分析来说，边界条件只能是一个温度条件，不过可以为非0的温度边界条件定义一个幅值曲线。

        对于热载荷来说有三种形式：surface热通量，body热通量和concentrated热通量，操作界面如下：

热接触属性

接触温度热导率：

        接触表面的接触热导率：默认情况下，在具有接触表面的界面上分配高的热接触热导率。该热导率的大小类似于默认的机械惩罚刚度算法，以在数值上近似整个界面的匹配温度条件，而不会造成过约束或其他数值问题。

        q=k(θ_A−θ_B),q为单位面积热通量，k为接触热导率，θ_A为从面节点温度，θ_B为与从面节点接触的主面节点温度。

        默认情况下，Abaqus为接触区域指定一个较大的k值（与接触压力p无关），并为非主动接触区域指定k=0（与接触间隙距离d无关）。

 使用clearance定义热导率：用于定义与间隙相关的热导率，用于开接触。

        使用pressure定义热导率：用于定义与压力相关的热导率，用于闭接触。

摩擦热生成：

        摩擦热生成是指在摩擦过程中，摩擦能量被转化为热能的过程。这个过程的效率可以用一个比率来衡量，即将摩擦做功或电做功转化为内能的比率。

        假设所有摩擦能量都被转化为热量，并且在主面和从面之间均匀分配，则可以将摩擦引起的耗散能量转化为热量的分数设置为1.0，并使用默认分布。

        然而，主从面的热量分配是可以定义的，可以允许不同的分配比例。

接触热辐射：

        该功能旨在模拟窄间隙表面之间的辐射

        需要定义主从表面的发射率

        q:单位面积热通量，θ_A和θ_B两面温度，θ^Z绝对零度

        ϵ_A和ϵ_B为两面发射率，σ为玻尔兹曼常数，F为viewfactor

我们定义的viewfactor线性影响辐射热量

相互作用

热对流：

    由对流引起的表面热通量公式为：q=−ℎ(θ−θ_0),q 是通过表面的热通量，h为表面换热系数(film coefficient)，θ为表面节点的温度，θ_0为浸润环境的温度（sink temperature）。

    定义方法：Create Interaction: Surface film condition

    定义参数：film coefficient h和sink temperature θ_0

    film coefficient h可以引用一个时间相关的amplitude，定义为一个时间相关量，sink temperature θ_0可以引用一个时间相关的amplitude，定义为一个时间相关量，film condition 可以是温度相关的。

热辐射：

由于辐射到环境而导致的表面热通量计算公式为：

q:单位面积热通量，θ是表面温度，θ_0环境温度，θ^Z绝对零度，ϵ是表面发射率，σ为玻尔兹曼常数

surface radiation：

radiation type--to ambient：由系统辐射出去的能量将会彻底耗散掉，指定的环境温度可以是时间的函数。

cavity approximation：一个近似的空腔辐射，缺点是无法手动指定环境的温度。即Average-Temperature Radiation Conditions。

        腔体热辐射分析方法不能用于分析会发生形变的热交换问题，它只适用于纯传热分析和热电耦合分析，不能用于分析与结构场的耦合。因此，顺序耦合热应力是唯一一种可以包括这些效应的热应力分析方法，即通过间接耦合的方式实现。

        腔体可以是封闭或开放的，对于开放腔体，必须指定所处环境的温度。该腔体由部件表面或内表面组成，定义的曲面不能重叠，并且同一个面只能属于一个腔体。腔辐射问题本质上是非线性的，因为辐射通量依赖于端面温度的四次方。此外，发射率ϵ也通常是温度的函数。

        发射率是一个无量纲量，其值大于等于零，小于等于一。当发射率的值为ϵ＝0时，表面反射了所有辐射。当发射率的值为ϵ＝1时，表面吸收了所有辐射，即黑体辐射。表面的发射率ϵ可以定义为温度的函数，一般取值在0.77左右。

        每个空腔都可以定义一个视因子矩阵，该矩阵涉及外壳中表面之间的几何关系。在分析过程中，这些矩阵可能会多次更新。因此，大空腔辐射问题可能计算量非常大。

cavity radiation interaction：

definition:

closed，封闭腔体，无需指定ambient temperature

open，开放腔体，需要指定ambient temperature

surface，组成腔体的表面

property，辐射属性，用于定义发射率数值

cavity radiation property：

emissivity，发射率，可以定义为温度相关的函数。