目前，ANSYS Workbench 中還不能直接完成所有的直接耦合場分析，但Workbench提供了添加命令流的方法，可以幫助用戶完成此類耦合分析項目，對于熟悉APDL語言的使用者而言，可以融合Workbench平臺和APDL的優勢完成數值分析。

        本篇文章講解，如何在ANSYS WORBENCH環境通過插入命令流的方式來改變單元類型以完成結構熱耦合分析（以兩個2D矩形塊摩擦生熱為例來進行講解）

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問題描述

        在一個定塊上，有一個滑塊。在滑塊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，欲求解因摩擦而產生的熱量，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

02

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）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。

（7）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。

03

求解過程

【求解過程】

1. 進入ANSYS WORKBENCH主界面

2. 創建工程數據項目、幾何模型項目以及瞬態結構分析項目并建立如下所示連接關系。（注：瞬態結構分析中只包含結構力學相關的材料參數，所以需要單獨建立一個工程數據項目設置好材料結構力學參數和熱學相關參數）

3.設置材料屬性。

雙擊engineering data，加入新材料，命名為AL，設置材料屬性如下。

4.創建幾何模型。

上端為正方形（1.25mm*1.25mm）,下端為矩形（1.25mm*5mm）, 用surface from sketch功能即可生成2個面體。厚度均為1mm。

在WB主界面中點擊Geometry設置幾何模型的分析類型為2D模式，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。

    點擊Geometry 在明細窗口選擇2D behavior 類型為Plane Stress。

（2）設置材料屬性。

    將兩個矩形塊的材料都設置為AL。

（3）設置單元屬性。

設置這兩個物體的單元類型，都設置為熱-結構耦合單元PLANE223.

需要分別在兩個矩形塊的模型樹下面分別添加Commands命令流。

下面固定滑塊（Fix）和上方移動滑塊（Slide）單位類型都為PLANE223。因此單元類型定義的命令流也一樣只需復制粘貼即可。

et,matid,plane223,11 語句解釋

et，為單元類型定義命令（Element type）

matid，為該單元類型的命名

plane223 為單元類型

11為單元keyopt關鍵字。該11關鍵字的應用如下圖

功能強大的PLANE223單元簡介如下（摘自ANSYS help）

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。

接觸設置明細如下圖：

        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。

keyopt,cid,1,1

其含義是，對于接觸單元CONTA172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。

     為避免更新模型是接觸被更改，可以做如下設置

7.劃分網格。

設置單元尺寸為0.1mm，劃分網格。

8.設置載荷步。

設置兩個載荷步。第一載荷步滑塊移動設置：

第二載荷步滑塊保持設置：

9.固定定塊。

定塊的上表面約束XY方向的位移為0。0-0.2s兩個載荷步都保存該約束。

10.施加壓力。

在滑塊的上邊線施加豎直向下的均布載荷10MPa。0-0.2s兩個載荷步都保存該約束。

可以通過如下的載荷分量的形式進行添加載荷。

11.施加位移。

給滑塊的右側邊施加位移。0-3.75e-3s位移斜坡方式增大直到3.75mm，之后保持位移不變。

12.設置求解算法。

在transient下插入Commands命令

/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。

點擊Solve進行求解計算。 該模型網格單元較少，一般電腦幾分鐘就可求解完畢。

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。

     等效應力如下圖

      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曲線圖

      在動塊剛滑移到3.75mm時刻，溫度急劇上升到最高6.08k，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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