基于ANSYS WORKBENCH的摩擦生熱分析

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1、本篇文章說明，如何在WORBENCH中通過改變單元的形式來做摩擦生熱的耦合分析。 ? 【問題描述】 在一個定塊上，有一個滑塊。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） (

2、注)該問題來自于許京荊的《ANSYS13.0 WORKBNCH數(shù)值模擬技術(shù)》,中國水利水電出版社，2012，P381. ? 【問題分析】 關(guān)鍵技術(shù)分析： 此問題屬于摩擦生熱，不能夠使用載荷傳遞法，而只能使用直接耦合法。這就是說，只能用一個耦合單元來計算摩擦生熱問題。 解決該問題的基本思路如下: (1) 使用瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動力學(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）定義兩個載荷步，第一步將動塊移動到指定位置，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

3、靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，但是對于熱分析仍舊做瞬態(tài)熱分析。 （5）由于使用了瞬態(tài)動力學(xué)分析，結(jié)果中默認(rèn)是沒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)動力學(xué)分析系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)中，無法得到熱分析的部分參數(shù)，所以需要先創(chuàng)建一個單獨(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)建兩個草圖，然后根據(jù)草圖得到面物體。再對這兩個面物體進(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)行多物理場的耦合分析。

4、 ? 【求解過程】 1.進(jìn)入ANSYS WORKBENCH14.5 2. 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)置長度單位是毫米。 首先創(chuàng)建兩個草圖， 其幾何圖形及尺寸如下圖 分別拉伸這兩個草圖，得到兩個面體，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實體，表明要做平面問題的分析。 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)力問題。

5、 （2）設(shè)置材料屬性。 將兩個物體的材料都設(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)，首先對滑塊添加一個命令對象。 在窗口中輸入定義單元類型的APDL命令。 該命令對滑塊設(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，非對稱接觸，使用增

6、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，對于接觸單元contac172,設(shè)置其1號關(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，接觸單元每個節(jié)點(diǎn)均包含有UX,UY,TEMP三個自由度。即意味著是熱-結(jié)構(gòu)耦合問題。 為了防止上述命令在ANSYS自動更新時被刪除，設(shè)置connections的屬性如下 即：更新時，請不要生成自動連接關(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)置兩個載荷

7、步。 然后設(shè)置第一個載荷步的結(jié)束時間，時間步長等。 以及第二個載荷步 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毫秒時已經(jīng)移動了3.75mm,然后一直維持到0.2秒不動。 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

8、計算； 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，確定是每個時間步均執(zhí)行上述命令流。 13.計算。 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

9、見，在滑動的過程中，滑塊的右下角點(diǎn)有最大的應(yīng)力。而定塊的應(yīng)力均勻。 最后時刻的溫度分布如下圖 可見，由于使用了默認(rèn)的絕熱邊界條件，動塊和定塊的溫度均趨于均勻。而且，定塊和動塊之間，由于默認(rèn)的熱阻是無限大，所以，雖然二者有溫度差，但是在兩個物塊之間并沒有熱傳遞行為發(fā)生。這與實際情況顯然是有區(qū)別的?？梢酝ㄟ^設(shè)置接觸面之間的熱導(dǎo)率來更加逼真地模擬此情況。 下面是最高溫度的變化線圖 可見，在動塊剛滑移到終點(diǎn)時刻，溫度急劇上升到最高4.3k，然后動塊靜止。由于是絕熱邊界條件，熱向兩個物體內(nèi)部漸漸擴(kuò)散，從而最高溫度漸漸降低。大概到0.05秒時，溫度就已經(jīng)均衡，熱傳導(dǎo)過程結(jié)束，兩個物體均處于恒溫狀態(tài)。 下面是動塊滑動過程中某一瞬間的溫度云圖。 可以看到，對于動塊而言，摩擦面溫度最高，此時正在通過熱傳導(dǎo)將熱量向上方傳遞。