基于ABAQUS軟件的熱傳導問題分析

齊鵬遠　劉偉杰

摘 要：ABAQUS是一款功能強大的有限元分析軟件，尤其在處理非線性問題上具有較大的優勢。利用熱傳導問題的算例，介紹了ABAQUS軟件熱傳導分析各步驟模塊。通過算例中鋼板和施熱介質接觸傳熱時的溫度分布云圖以及溫度隨時間變化曲線，了解了ABAQUS軟件強大的分析及處理的功能。同時，為進一步利用ABAQUS軟件進行非線性問題分析做好了理論上的鋪墊工作。

關鍵詞：ABAQUS 熱傳導 有限元分析 數值模擬

中圖分類號：V231.1+3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0135-02

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結構（應力/位移）問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析及壓電介質分析[1-2]。但是ABAQUS在中國的普及程度遠遠不如同類CAE軟件ANSYS，不僅國內翻譯的中文圖書較少，而且上機操作基本要按ABAQUS所提供的手冊進行，尤其對于熱分析領域問題的介紹就更不多見。

熱分析是用于計算一個系統或部件的溫度分布及其他熱物理參數，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。ABAQUS熱分析的傳熱方式有熱傳導、熱對流、熱輻射3種[3-4]。文章基于某鋼板在加熱爐中接觸加熱的案例對ABAQUS在熱傳導問題上進行分析研究。

1 ABAQUS熱傳導類型和關鍵問題

溫度差是傳熱的基本條件。熱總是由高溫傳向低溫。根據傳熱過程中溫度是否隨時間變化，傳熱可分為兩種熱態，即穩態傳熱和非穩態傳熱。ABAQUS熱傳導模塊與之對應也分為穩態和瞬態兩種。穩態代表物體各處溫度不隨時間變化的傳熱過程；瞬態代表吸收或放出熱能使溫度隨時間發生變化的傳熱過程[5]。熱傳導分析過程中需要考慮到很多條件及相關參數的設定，這些都是做熱傳導分析的關鍵問題[6]。

1.1 介質與物體表面間綜合給熱系數α

介質與物體表面間綜合給熱系數α是指加熱或冷卻介質與物體表面之間傳遞熱量的能力。單位為W/m2·℃。其參數的設定在ABAQUS相互作用模塊下接觸屬性中對熱傳導項進行定義，具體又可基于介質與物體之間的距離或壓力等來進行賦值。

1.2 設定模型的初始溫度場

初始溫度場是ABAQUS中物體開始加熱時的溫度環境。可以對傳熱介質和受熱物體同時或分別進行設置。在軟件中，可以在施加載荷模塊中預定義場的設定中直接給出溫度值或者讀入之前所做傳熱分析的結果文件。

2 算例

此算例基于某普碳鋼板在加熱爐中受兩塊施熱介質（材質為Cr25Ni20的鋼塊）夾持接觸時的受熱過程，詳細介紹ABAQUS熱傳導分析的基本流程。

2.1 前提條件

加熱爐中環境溫度為1 150 ℃，爐內放有2塊施熱介質，尺寸為（300×200×50）mm，此時施熱介質溫度已經達到爐膛內溫度，即1 150 ℃。受熱鋼板尺寸為（300×200×1）mm，初始溫度為20 ℃。模擬分析受熱鋼板被施熱介質夾持接觸30 s后鋼板與施熱介質的溫度分布情況。

2.2 模型建立

進入Part模塊，在部件管理器中分別創建施熱介質和鋼板模型。為后期直觀表達溫度場分布，此算例中采用完整的3D模型。

2.3 材料屬性定義

進入Property模塊，輸入材料相應屬性。對鋼板和施熱介質的材料密度、比熱、傳導率進行設定，其相應數據可從相關材料手冊中查取。

2.4 分析步的設定

進入Step模塊，初始Initial分析步已經由系統默認設定，為達到加熱30 s的時間設定，可新建heat分析步，在時間長度內設定30。為了后期分析數據的方便，可在增量的設定中，采用固定的類型，最大增量步數設為150，增量步大小設為0.2。其余采用默認設定。

2.5 相互作用設定

進入Interaction模塊，對施熱介質與鋼板之間的綜合給熱系數進行設定。首先進入接觸屬性管理器，選擇基于距離的類型，定義給熱系數。參考實際經驗，當距離為0，即相互接觸時的給熱系數設定為10。之后進入相互作用管理器，進行接觸面的選擇并將之前設定的接觸屬性進行賦值。

2.6 加載設定

進入Load模塊，首先對預定義場進行創建。進入預定義場管理器，在Initial分析步中，選取施熱介質模型，對施熱介質溫度設定為1 150 ℃；選取鋼板模型，對鋼板溫度設定為20 ℃，其余默認即可。

2.7 網格劃分

進入mesh模塊，對鋼板部件進行定義，先設定網格控制屬性，選擇結構六面體單元，然后分別設置局部和全局尺寸，最后進行網格劃分。之后，對施熱介質分別進行網格劃分，劃分過程與鋼板類似。

2.8 作業提交與結果分析

在Job模塊中，該模型文件讀取后，進行數據檢查，然后點擊Submit提交作業。在監控分項卡中可以實時觀察模擬分析進展。當計算結束后，點擊Results進入Visualization模塊對結果文件進行分析。由于該模擬主要針對溫度進行分析，所以在主參數中選擇NT11（ABQUAS中NT11默認為溫度參數），溫度分布云圖如圖1所示。

由于施熱介質對鋼板不斷傳遞熱量，施熱介質溫度由外表面向內表面逐漸降低，內表面溫度與鋼板溫度保持一致。對鋼板進行溫度分析，其溫度分布云圖如圖2所示。可見鋼板加熱30 s后整體溫度已經達1 100 ℃。

30 s內鋼板的溫度變化曲線圖，如圖3所示。從圖中可見，鋼板受到施熱介質的熱傳導作用，從室溫20 ℃開始升溫，溫度隨時間的增加不斷升高，在前2 s內鋼板溫度升高速度較快，迅速達到1 000℃左右，之后升溫速度明顯減慢，30 s后溫度趨于穩定，達到1 100 ℃。

30 s內施熱介質內表面的溫度變化曲線，如圖4所示。從圖中可見，由于施熱介質與鋼板剛剛接觸時，施熱介質內表面與鋼板溫差較大，此時熱傳導現象非常明顯，施熱介質內表面溫度從1 150℃迅速下降至980 ℃左右，之后施熱介質內表面溫度受厚度方向溫度的傳導開始逐漸升高，升高至1 100℃時逐漸趨于穩定。

3 結語

ABAQUS軟件在處理非線性問題上具有明顯的優勢，文章利用熱傳導問題的算例，求解了某鋼板接觸受熱時的溫度分布以及施熱介質的溫度分布，通過相關的溫度分布云圖以及溫度隨時間變化曲線，可以看出ABAQUS軟件具有強大的分析及處理的功能。文章作為ABAQUS軟件在熱傳導問題上初步的探索，為進一步利用ABAQUS軟件進行非線性問題分析打下了基礎。

參考文獻

[1] 莊茁.ABAQUS/Standard有限元軟件入門[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 路明，朱凌云.基于ABAQUS汽車發動機缸體缸蓋溫度場分析[J].汽車工程師，2012（1）：42-44.