abaqus在熱分析中的應(yīng)用

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1、Abaqus在熱分析中的應(yīng)用1.前言???熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機、渦輪機、換熱器、管路系統(tǒng)等。Abaqus熱分析類型包括穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱，傳熱方式有熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射三種。2.問題描述???分析電飯煲內(nèi)的米飯在加熱完成后放置6個小時，鍋體及米飯的最終溫度。以一套雙層鍋體雙層鍋蓋的電飯煲的設(shè)計為例說明Abaqus/Standard在熱分析中的應(yīng)用。3.計算模型3.1.有限元模型建立???網(wǎng)格劃分在Hypermesh中完成，注意網(wǎng)格尺寸，以保證合適的單元數(shù)目保

2、證計算時間和計算精度。???有限元模型主要包含以下幾個部分：內(nèi)層鍋體、外層鍋體、鍋底、內(nèi)層鍋蓋、外層鍋蓋、米飯、內(nèi)外層鍋體之間的空氣、內(nèi)外層鍋蓋之間的空氣以及米飯和內(nèi)層鍋蓋之間的空氣，見圖1。???模型中多個接觸區(qū)域采用了共點劃分，如：米飯和鍋體之間、米飯和空氣之間、空氣和鍋蓋之間，這些地方采用共點的方式來實現(xiàn)他們之間的熱傳導(dǎo)，在不影響計算結(jié)果的情況下大大節(jié)省了設(shè)模型的時間，也使模型簡單化。圖1有限元模型（剖視圖）3.2.材料???模型中所用材料參數(shù)包含：密度、比熱、熱傳導(dǎo)率和發(fā)射率。3.3.傳熱方式和加載3.3.1傳熱方式：???熱傳遞是通過熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種方式來實現(xiàn)

3、。在實際的傳熱過程中，這三種方式往往是伴隨著進(jìn)行的。模型中通過多種設(shè)置實現(xiàn)這三種熱傳遞方式。???傳導(dǎo)—熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個系統(tǒng)傳到另一系統(tǒng)的現(xiàn)象叫做熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式。模型中通過兩種方式來實現(xiàn)熱傳導(dǎo)。???1）共點網(wǎng)格：模型中除了鍋蓋和鍋體之間的接觸外其他的的接觸部位假設(shè)完全接觸，而在接觸表面不存在熱阻，通過共點來實現(xiàn)模擬。???2）接觸對：鍋蓋與鍋體之間的接觸部分通過添加接觸對來模擬二者之間的熱傳導(dǎo)，假設(shè)二者之間存在0.1mm的空氣間隙，通過計算得到熱阻系數(shù)。熱阻系數(shù)=空氣熱傳導(dǎo)率/空氣間隙???對流—液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間

4、通過循環(huán)流動使溫度趨于均勻的過程，對流是液體和氣體中熱傳遞的特有方式，氣體的對流現(xiàn)象比液體明顯，對流可分自然對流和強迫對流兩種。自然對流往往自然發(fā)生，是由于溫度不均勻而引起的，強迫對流是由于外界的影響對流體攪拌而形成的。???1）外層鍋體、鍋底以及外層鍋蓋的周圍空氣中存在熱對流，這種對流通過*FILM的設(shè)置實現(xiàn)。???2）?米飯和內(nèi)層鍋蓋之間的空氣中存在自然對流。這部分的對流通過增大該部分空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)來模擬（這部分空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)為普通空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)的7倍）。???3）內(nèi)層鍋體和外層鍋體之間的空氣以及內(nèi)層鍋蓋和外層鍋蓋之間的空氣中也存在自然對流，但是這部分的空氣很狹窄，從

5、而對結(jié)果的影響不大，所以在模型忽略了這兩處的對流。???輻射—物體因自身的溫度而具有向外發(fā)射能量的本領(lǐng)，這種熱傳遞的方式叫做熱輻射。???1）外層鍋體、鍋底以及外層鍋蓋和周圍環(huán)境之間存在熱輻射，這種輻射通過*radiate的設(shè)置實現(xiàn)，該設(shè)置中的環(huán)境溫度為23℃，并根據(jù)材料給出適當(dāng)?shù)陌l(fā)射率的值。???2）內(nèi)部鍋體和外部鍋體之間的空腔、內(nèi)層鍋蓋與外層鍋蓋之間的空腔以及米飯和內(nèi)層鍋蓋之間的空腔內(nèi)都存在熱輻射，見圖2。這些熱輻射也在模型中被考慮。圖2內(nèi)部熱輻射區(qū)域3.3.2加載：???模型加載分兩步：???第一步，穩(wěn)態(tài)傳熱過程，使米飯溫度達(dá)到恒定100℃。???第二步，傳熱在時間域上的

6、分析，考慮模型的整體熱量隨時間散失。初始溫度分布為第一步計算的結(jié)果。模型經(jīng)歷6個小時的散熱，求解溫度分布。4.結(jié)果分析圖3.6小時后米飯的溫度分布圖4.鍋體在穩(wěn)態(tài)分析完成后的溫度分布圖5.6小時后鍋體的溫度分布圖6.瞬態(tài)分析過程中米飯平均溫度-時間曲線???從上圖各結(jié)果中可以看出，放置6個小時候后米飯的最高溫度為36.9℃，發(fā)生在米飯的中央位置，此時米飯的平均溫度約為34℃。