搜索基于WORKBENCH的摩擦生熱分析
2016-10-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
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。現在滑塊在定塊表面上滑行3.75mm,要求摩擦而產生的熱量,并計算滑塊和定塊內部的溫度分布和應力分布。
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:23.86e-6/k;摩擦系數:0.2;熱導率:150W/(M K);比熱:900J/(kg K)
(注)該問題來自于許京荊的《ANSYS13.0 WORKBNCH數值模擬技術》,中國水利水電出版社,2012,P381.
問題分析關鍵技術分析:
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)使用瞬態結構動力學分析系統
(2)在該系統中更改單元為PLANE223,它是一個耦合單元,可以完成多種耦合分析,這里使用其結構-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)在求解設置中,關閉結構分析的慣性部分,而只做靜力學結構分析,但是對于熱分析仍舊做瞬態熱分析。
(5)由于使用了瞬態動力學分析,結果中默認是沒有溫度可以直接從界面中得到的。需要自定義結果,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)瞬態結構動力學分析系統的工程數據中,無法得到熱分析的部分參數,所以需要先創建一個單獨的工程數據系統,然后把它與瞬態結構動力學分析的工程數據單元格相關聯。
(8)在DM中創建兩個草圖,然后根據草圖得到面物體。再對這兩個面物體進行平面應力的分析。
(9)本博文的主要目的是要闡述:如何在WORKBENCH中使用耦合單元進行多物理場的耦合分析。
求解過程1.進入ANSYS WORKBENCH14.5
2. 創建瞬態結構分析系統
3.設置材料屬性。
雙擊engineering data,加入新材料,命名為al,設置屬性如下。
4.創建幾何模型。
雙擊geometry,進入到DM。設置長度單位是毫米。
首先創建兩個草圖,
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,并設置其厚度均為1mm.
存盤,退出DM。
設置幾何單元的屬性為2D實體,表明要做平面問題的分析。
5.設置單元類型。
雙擊MODEL,進入到MECHANICAL中。
(1)設置是平面應力問題。
(2)設置材料屬性。
將兩個物體的材料都設置為AL
(3)設置單元屬性。
設置這兩個物體的單元屬性,都設置為熱-結構耦合單元PLANE223.
為了做到這一點,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。
該命令對滑塊設置其單元類型是PLANE223,并確定其關鍵字是11.該關鍵字意味著此單元用作熱-結構耦合分析。
將該命令拷貝到定塊中,設置定塊也使用同樣的耦合單元。
6.設置接觸。
(1)設置接觸特性。
設置滑塊和定塊之間發生摩擦接觸。
并對該接觸設置如下
即設置為摩擦系數是0.2的有摩擦接觸,非對稱接觸,使用增強的拉格朗日算法,每次迭代均更新接觸剛度。
(2)設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。
在出現的文件窗口中輸入下列命令
其含義是,對于接觸單元contac172,設置其1號關鍵字是1,從ansys幫助中,可以知道該關鍵字為1的含義是,接觸單元每個節點均包含有UX,UY,TEMP三個自由度。即意味著是熱-結構耦合問題。
為了防止上述命令在ANSYS自動更新時被刪除,設置connections的屬性如下
即:更新時,請不要生成自動連接關系。
7.劃分網格。
設置單元尺寸為0.1mm,劃分網格。
8.設置載荷步。
首先設置兩個載荷步。
然后設置第一個載荷步的結束時間,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。
給滑塊的右側邊施加位移。
其X方向位移如下表。即在3.75毫秒時已經移動了3.75mm,然后一直維持到0.2秒不動。
12.設置求解算法。
首先在transient下插入命令
然后在出現的文本窗口中輸入如下命令流
其含義如下
/solu-----------進入到solu求解程序中;
allsel---------選擇所有的節點和單元參與計算;
tref,0---------定義熱應變分析的參考溫度是0;
trnopt,full-----定義瞬態分析的算法:完全法;
timint,off,struc-----對于結構有關的自由度UX,UY,關閉瞬態效果(即不考慮質量或者慣性作用),這樣只是做瞬態熱分析。
tintp,,,,1.0-----定義瞬態熱分析的積分參數。這里定義了一階瞬態熱分析的積分參數是1.0.
另外,確定是每個時間步均執行上述命令流。
13.計算。
14.后處理。
插入總變形,等效應力。
插入自定義結果,在表達式中取出系統的溫度變量。
計算結果
更新得到下列結果。
等效應力如下圖
可見,在滑動的過程中,滑塊的右下角點有最大的應力。而定塊的應力均勻。
最后時刻的溫度分布如下圖
可見,由于使用了默認的絕熱邊界條件,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生。這與實際情況顯然是有區別的。可以通過設置接觸面之間的熱導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,熱向兩個物體內部漸漸擴散,從而最高溫度漸漸降低。大概到0.05秒時,溫度就已經均衡,熱傳導過程結束,兩個物體均處于恒溫狀態。
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將熱量向上方傳遞。
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