本文將用Abaqus Standard演示一個熱分析案例。該分析將含有圓柱形殼體的耦合熱應力問題（例如工廠中使用的承裝高溫流體的管道）。該管道將與一個金屬伸縮接頭連接，這種接頭將用于承受管道的熱延伸。耦合分析的目的是通過預先設置的場來論證結果值的對應關系。

熱和結構域間的耦合計算

Abaqus為分析中的熱和結構域間的耦合計算提供了許多建模方法。

通常會使用兩種方法：

1） 使用耦合溫度-位移元件（SAX2T，S8RT，C3D20RT等），在一次分析中結合熱負荷和位移。

2） 在第一次分析中對結構的熱負荷建模，然后在隨后的應力分析中映射該熱負荷（通過節點溫度，即NT）。

本文將演示第二種方法，在很多情況下，若考慮不同類型負載的所有影響（軸向壓力，環向壓力，熱負荷等），第一種方法可能更可行。

建模假定條件

1） 模型將包含一個圓柱形殼體結構，一個承裝高溫流體的管道。對于這種分析，由于管道內外兩側的溫度差異，所以只考慮熱負荷。管道將被認為具有足夠的剛性，在流體壓力下不會周向變形（在靜態分析只有軸向平移允許的）。

2） 為了經行分析時清晰，使用了圓柱形殼體模型（完整圓柱體）。然而，建議盡可能經常使用軸對稱模型（或者具有適當邊界條件的單個元件）以減少運行時間。

3） 將考慮穩態熱傳導分析。

4） 將考慮靜力通用分析。

5） 膨脹節和流體管的材料是線性彈性的。在現實生活中，材料不一定相同。每種的應用都有所不同，但每當非金屬膨脹節用于低壓應用時，通常比其連接部件更加靈活（橡膠類材料）。

6） 壓力結果以兆帕（Mpa）為單位給出；位移結果以毫米（mm）為單位給出。

本研究中，將進行兩項分析。首先是內部溫度為200攝氏度，外部（環境）溫度為10攝氏度的管道上的熱傳導分析。這種溫差會導致管道沿周向和軸向膨脹。因此進行應力分析，其中來自于先前的熱傳導過程的溫度將被映射到網格上，以便用于估算由于熱負荷所引起的應力和位移。這種分析可以為膨脹節的設計提供參考。

流體管道的幾何模型如圖1所示。            

圖1 流體管道幾何模型

熱傳導分析

對于穩態傳導熱分析，兩個溫度邊界條件適用于適當自由度下的所有節點。如圖2所示。

 圖2 熱傳導邊界條件

圖3顯示了在熱傳導步結束時所達到的管道溫度（10攝氏度）。

圖3 傳熱結束階段溫度狀況

靜力通用分析

對于靜力通用分析，將從熱傳導分析中提取的節點溫度場作為預定義場的輸入給出。為了做到這一點，用戶必須給予熱傳導分析odb文件的路徑，如圖4所示。

圖4 溫度預定義字場

本例同時顯示膨脹節的優勢，在靜態分析中將包含一個簡化的膨脹節模型。連接處的細節和一些術語將在圖5中給出。

正如在建模假定條件中提到的那樣，管道將只允許沿軸向延伸。流體管道的這種軸向延伸將由膨脹節完成。該膨脹節將在其自由側（Z-位移= 0）與剛性連接體相連（例如混凝土墻）。

圖5 膨脹節及組件細節

靜力通用分析的應力結果和組件的軸向位移分別在圖6和圖7、8中給出。

圖6 組件上的應力

圖7 組件的軸向位移

圖8 組件的軸對稱視圖切割

結論

本文展示了Abaqus的耦合熱應力分析功能。重點是演示Abaqus包含的預定義場選項。當熱傳導分析和靜力通用分析按順序運行時，預定義場可用于將相關結果映射為第二個分析的輸入。

這種技術可以擴展到其他領域（例如結合某些元素的質量擴散來冷卻金屬部件）。在不同類型的負荷與熱負荷一起作用的情況下，使用方法1進行分析可能更實際。

另外，通過改變相關的求解器設置，用戶可以進一步指定耦合規則（松散，精密等）。

當運行這些類型的分析并使用殼單元時，最好使用可獲得更接近分析解結果的二次殼單元。也可以使用實體單元和連續殼單元，但要使用適當的網格劃分規則（例如，在厚度方向上有多個單元）。