基于ANSYS WORKBENCH的摩擦生熱分析

本篇文章說(shuō)明，如何在WORBENCH中通過(guò)改變單元的形式來(lái)做摩擦生熱的耦合分析。 【問(wèn)題描述】在一個(gè)定塊上，有一個(gè)滑塊。在滑塊頂頂面上施加一垂直于表面指向定塊的10MPa的分布力系?，F(xiàn)在滑塊在定塊表面上滑行3.75mm，要求摩擦而產(chǎn)生的熱量，并計(jì)算滑塊和定塊內(nèi)部的溫度分布和應(yīng)力分布。定塊的尺寸：寬5mm，高1.25mm，厚1mm滑塊的尺寸：寬1.25mm，高1.5mm，厚1mm材料：彈性模量：7e10Pa;泊松比：0.3；密度：2700kg/m(3);熱膨脹系數(shù)：23.86e-6/k；摩擦系數(shù)：0.2；熱導(dǎo)率：150W/(M K)；比熱：900J/(kg K）(注)該問(wèn)題來(lái)自于許京荊的ANSYS13.0 WORKBNCH數(shù)值模擬技術(shù),中國(guó)水利水電出版社，2012，P381. 【問(wèn)題分析】關(guān)鍵技術(shù)分析：此問(wèn)題屬于摩擦生熱，不能夠使用載荷傳遞法，而只能使用直接耦合法。這就是說(shuō)，只能用一個(gè)耦合單元來(lái)計(jì)算摩擦生熱問(wèn)題。解決該問(wèn)題的基本思路如下:(1) 使用瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)（2）在該系統(tǒng)中更改單元為PLANE223,它是一個(gè)耦合單元，可以完成多種耦合分析，這里使用其結(jié)構(gòu)-熱分析功能。（3）定義兩個(gè)載荷步，第一步將動(dòng)塊移動(dòng)到指定位置，第二步保持最終位置，以獲得平衡解。（4）在求解設(shè)置中，關(guān)閉結(jié)構(gòu)分析的慣性部分，而只做靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，但是對(duì)于熱分析仍舊做瞬態(tài)熱分析。（5）由于使用了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果中默認(rèn)是沒(méi)有溫度可以直接從界面中得到的。需要自定義結(jié)果，提取溫度。（6）此問(wèn)題要多處使用插入命令的方式，從而可以在WORKBENCH中使用APDL的功能。（7）瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)中，無(wú)法得到熱分析的部分參數(shù)，所以需要先創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的工程數(shù)據(jù)系統(tǒng)，然后把它與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的工程數(shù)據(jù)單元格相關(guān)聯(lián)。（8）在DM中創(chuàng)建兩個(gè)草圖，然后根據(jù)草圖得到面物體。再對(duì)這兩個(gè)面物體進(jìn)行平面應(yīng)力的分析。（9）本博文的主要目的是要闡述：如何在WORKBENCH中使用耦合單元進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合分析。 【求解過(guò)程】1.進(jìn)入ANSYS WORKBENCH14.52. 創(chuàng)建瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)3.設(shè)置材料屬性。雙擊engineering data,加入新材料，命名為al，設(shè)置屬性如下。4.創(chuàng)建幾何模型。雙擊geometry，進(jìn)入到DM。設(shè)置長(zhǎng)度單位是毫米。首先創(chuàng)建兩個(gè)草圖，其幾何圖形及尺寸如下圖分別拉伸這兩個(gè)草圖，得到兩個(gè)面體，并設(shè)置其厚度均為1mm.存盤，退出DM。設(shè)置幾何單元的屬性為2D實(shí)體，表明要做平面問(wèn)題的分析。5.設(shè)置單元類型。雙擊MODEL,進(jìn)入到MECHANICAL中。（1）設(shè)置是平面應(yīng)力問(wèn)題。（2）設(shè)置材料屬性。將兩個(gè)物體的材料都設(shè)置為AL（3）設(shè)置單元屬性。設(shè)置這兩個(gè)物體的單元屬性，都設(shè)置為熱-結(jié)構(gòu)耦合單元PLANE223.為了做到這一點(diǎn)，首先對(duì)滑塊添加一個(gè)命令對(duì)象。在窗口中輸入定義單元類型的APDL命令。該命令對(duì)滑塊設(shè)置其單元類型是PLANE223，并確定其關(guān)鍵字是11.該關(guān)鍵字意味著此單元用作熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。將該命令拷貝到定塊中，設(shè)置定塊也使用同樣的耦合單元。6.設(shè)置接觸。（1）設(shè)置接觸特性。設(shè)置滑塊和定塊之間發(fā)生摩擦接觸。 并對(duì)該接觸設(shè)置如下即設(shè)置為摩擦系數(shù)是0.2的有摩擦接觸，非對(duì)稱接觸，使用增強(qiáng)的拉格朗日算法，每次迭代均更新接觸剛度。（2）設(shè)置接觸單元包含位移和溫度自由度。在該接觸下面添加APDL命令。在出現(xiàn)的文件窗口中輸入下列命令其含義是，對(duì)于接觸單元contac172,設(shè)置其1號(hào)關(guān)鍵字是1，從ansys幫助中，可以知道該關(guān)鍵字為1的含義是，接觸單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含有UX,UY,TEMP三個(gè)自由度。即意味著是熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題。為了防止上述命令在ANSYS自動(dòng)更新時(shí)被刪除，設(shè)置connections的屬性如下即：更新時(shí)，請(qǐng)不要生成自動(dòng)連接關(guān)系。7.劃分網(wǎng)格。設(shè)置單元尺寸為0.1mm，劃分網(wǎng)格。8.設(shè)置載荷步。首先設(shè)置兩個(gè)載荷步。然后設(shè)置第一個(gè)載荷步的結(jié)束時(shí)間，時(shí)間步長(zhǎng)等。以及第二個(gè)載荷步9.固定定塊。定塊的位移全固定。10.施加壓力。在滑塊的上邊線上施加豎直向下的均布載荷10MPa.11.施加位移。給滑塊的右側(cè)邊施加位移。其X方向位移如下表。即在3.75毫秒時(shí)已經(jīng)移動(dòng)了3.75mm,然后一直維持到0.2秒不動(dòng)。12.設(shè)置求解算法。首先在transient下插入命令然后在出現(xiàn)的文本窗口中輸入如下命令流其含義如下/solu-進(jìn)入到solu求解程序中；allsel-選擇所有的節(jié)點(diǎn)和單元參與計(jì)算；tref,0-定義熱應(yīng)變分析的參考溫度是0；trnopt,full-定義瞬態(tài)分析的算法:完全法；timint,off,struc-對(duì)于結(jié)構(gòu)有關(guān)的自由度UX,UY，關(guān)閉瞬態(tài)效果（即不考慮質(zhì)量或者慣性作用）,這樣只是做瞬態(tài)熱分析。tintp,，1.0-定義瞬態(tài)熱分析的積分參數(shù)。這里定義了一階瞬態(tài)熱分析的積分參數(shù)是1.0.另外，確定是每個(gè)時(shí)間步均執(zhí)行上述命令流。13.計(jì)算。14.后處理。插入總變形，等效應(yīng)力。插入自定義結(jié)果，在表達(dá)式中取出系統(tǒng)的溫度變量。更新得到下列結(jié)果。等效應(yīng)力如下圖可見(jiàn)，在滑動(dòng)的過(guò)程中，滑塊的右下角點(diǎn)有最大的應(yīng)力。而定塊的應(yīng)力均勻。最后時(shí)刻的溫度分布如下圖可見(jiàn)，由于使用了默認(rèn)的絕熱邊界條件，動(dòng)塊和定塊的溫度均趨于均勻。而且，定塊和動(dòng)塊之間，由于默認(rèn)的熱阻是無(wú)限大，所以，雖然二者有溫度差，但是在兩個(gè)物塊之間并沒(méi)有熱傳遞行為發(fā)生。這與實(shí)際情況顯然是有區(qū)別的?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置接觸面之間的熱導(dǎo)率來(lái)更加逼真地模擬此情況。下面是最高溫度的變化線圖可見(jiàn)，在動(dòng)塊剛滑移到終點(diǎn)時(shí)刻，溫度急劇上升到最高4.3k，然后動(dòng)塊靜止。由于是絕熱邊界條件，熱向兩個(gè)物體內(nèi)部漸漸擴(kuò)散，從而最高溫度漸漸降低。大概到0.05秒時(shí)，溫度就已經(jīng)均衡，熱傳導(dǎo)過(guò)程結(jié)束，兩個(gè)物體均處于恒溫狀態(tài)。下面是動(dòng)塊滑動(dòng)過(guò)程中某一瞬間的溫度云圖。可以看到，對(duì)于動(dòng)塊而言，摩擦面溫度最高，此時(shí)正在通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量向上方傳遞。