ABAQUS分析摩擦熱
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-02-27
ABAQUS分析摩擦熱的視頻教程
ABAQUS案例-摩擦生熱及熱力耦合分析
在出現(xiàn)相對(duì)（摩擦）運(yùn)動(dòng)的工程問題中，相對(duì)（摩擦）運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱或溫度，例如對(duì)于橡膠或密封圈，此時(shí)熱或溫度會(huì)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力相互耦合，因此需要進(jìn)行多物理中的熱力耦合分析。本課程介紹了在ABAQUS中如何計(jì)算相對(duì)（摩擦）運(yùn)動(dòng)生熱及相應(yīng)的熱力耦合分析。
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ABAQUS分析摩擦熱的實(shí)例教程
密封圈與金屬物件的摩擦生熱是工程中經(jīng)常遇到的問題，由于橡膠導(dǎo)熱性差，摩擦產(chǎn)熱會(huì)累積在密封圈內(nèi)部而傳不出去，使得溫度升高，對(duì)密封圈的密封性能和使用壽命都產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本實(shí)例（附件為inp文件）為利用熱傳學(xué)原理及超彈性理論，采用ABAQUS軟件進(jìn)行的密封圈多物理場(chǎng)分析。
Abaqus有非常豐富的單元庫(kù)，其中就有軸對(duì)稱單元，比如CAX4（I/R/H/T），當(dāng)一個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有某種載荷對(duì)稱性時(shí)，可以用它將三維模型縮減為軸對(duì)稱模型來分析，能減少大量的內(nèi)存和分析時(shí)間，而同樣的模型規(guī)模，3D實(shí)體單元要更耗費(fèi)計(jì)算資源。
那么，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)受到側(cè)向彎曲或軸向扭轉(zhuǎn)的載荷時(shí)，有沒有類似的單元可以用呢？
橡膠阻尼器的內(nèi)摩擦生熱分析-節(jié)點(diǎn)溫度云圖
比如，假設(shè)上圖中的阻尼器不再是長(zhǎng)方體，而是回轉(zhuǎn)體，且發(fā)生軸向扭曲變形，那么能不能用軸對(duì)稱單元來建模呢？
答案是可以的，在Abaqus的軸對(duì)稱單元系里還有一種可考慮Twist的單元，即帶字母G標(biāo)識(shí)的那種類型，能夠在分析時(shí)充分考慮回轉(zhuǎn)體的整體扭轉(zhuǎn)變形。
首先，我們可以在part模塊使用Axisymmetric建立環(huán)形塊狀阻尼器的回轉(zhuǎn)截面；然后在mesh模塊劃分好四邊形網(wǎng)格；最后，定義單元類型為CGAX4T，即帶扭曲的4節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱位移-溫度耦合單元。
這里的橡膠阻尼器材料本構(gòu)采用的是超彈性模型，應(yīng)變能描述形式為Neo Hooke，再結(jié)合時(shí)域黏彈性Prony參數(shù)與非彈性變形能耗散比，來計(jì)算阻尼器周期性扭轉(zhuǎn)過程中的材料內(nèi)摩擦生熱。
阻尼器上、下兩個(gè)端面的節(jié)點(diǎn)分別使用位于回轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)參考點(diǎn)來耦合，固定下端面參考點(diǎn)，并在上端面參考點(diǎn)施加軸向的周期性扭角位移。
阻尼器的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格-單元
雖然建模時(shí)只考慮了回轉(zhuǎn)截面，但是帶扭曲的軸對(duì)稱單元可以將回轉(zhuǎn)體發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)考慮在內(nèi)，這是因?yàn)檫@種單元多了一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度5，拿本例中的位移-溫度耦合單元CGAX4T來說，該單元的節(jié)點(diǎn)具有1、2、5和11四個(gè)自由度。
展開 分析類型：摩擦生熱分析；制動(dòng)盤熱分析。
分析平臺(tái)：AWB17
技術(shù)難點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和熱耦合分析
完成人：技術(shù)鄰ANSYS專家
業(yè)務(wù)咨詢網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
研究對(duì)象：制動(dòng)盤（模型來自網(wǎng)友上傳）
注意點(diǎn)：熱接觸設(shè)置
另：由于參數(shù)可能設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致結(jié)果不合理，請(qǐng)無視！！！！
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(gè)耦合單元來計(jì)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(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)
（2）在該系統(tǒng)中更改單元為solid226,它是一個(gè)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）由于使用了瞬態(tài)動(dòng)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。
（4）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。
（5）瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)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(dòng)力學(xué)分析的工程數(shù)據(jù)單元格相關(guān)聯(lián)。
可代做的業(yè)務(wù)范圍：
熱分析
熱結(jié)構(gòu)耦合分析
展開 ANSYS接觸摩擦熱分析
例子來源于ANSYS幫助文檔。
分析兩接觸面的摩擦熱，模型如圖1所示。上面的摩擦面一直滑動(dòng)，與下接觸面摩擦產(chǎn)生熱。分析時(shí)采用直接耦合的方法，采用plane13單元，屬于2D耦合場(chǎng)單元，接觸面的目標(biāo)面采用TARGET169，接觸面采用CONTA171。分析時(shí)采用瞬態(tài)分析步完成。
圖1
材料、幾何尺寸與載荷約束如圖2所示。
圖2
建模時(shí)創(chuàng)建兩個(gè)blocks，上面的稱為sliding block，sliding block的下表明為CONTACT AREA，下面的為fixed block，fixed block的上表面為TARGET AREA。
第一個(gè)載荷步，sliding block在10MPa的壓力作用下沿著fixed block的上表面滑動(dòng)3.75mm的距離。滑動(dòng)過程中產(chǎn)生熱源，并且被兩個(gè)block吸收。
定義block單元
ET,1,PLANE13,4 !后面的4表示KOP1系數(shù)為4，代表自由度為UX, UY, TEMP
其他過程為定義材料屬性和建模以及定義接觸屬性。
展開 目前，ANSYS Workbench 中還不能直接完成所有的直接耦合場(chǎng)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(xiàng)目，對(duì)于熟悉APDL語(yǔ)言的使用者而言，可以融合Workbench平臺(tái)和APDL的優(yōu)勢(shì)完成數(shù)值分析。
本篇文章講解，如何在ANSYS WORBENCH環(huán)境通過插入命令流的方式來改變單元類型以完成結(jié)構(gòu)熱耦合分析（以兩個(gè)2D矩形塊摩擦生熱為例來進(jìn)行講解）
01
問題描述
在一個(gè)定塊上，有一個(gè)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(xiàn)在滑塊在定塊表面上滑行3.75mm，欲求解因摩擦而產(chǎn)生的熱量，并計(jì)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
02
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(gè)耦合單元來計(jì)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(dòng)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(gè)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(gè)載荷步，第一步將動(dòng)塊移動(dòng)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，而只做靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，但是對(duì)于熱分析仍舊做瞬態(tài)熱分析。
（5）由于使用了瞬態(tài)動(dòng)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。
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ABAQUS分析摩擦熱的最新內(nèi)容
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
3、與切削工藝相關(guān)的工程師
你會(huì)得到什么：
1、掌握二維模型的繪制
2、掌握熱結(jié)構(gòu)耦合顯示動(dòng)力學(xué)分析相關(guān)的材料參數(shù)設(shè)置
3、理解動(dòng)力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)切削相關(guān)的相互關(guān)系的設(shè)置
5、了解顯示動(dòng)力學(xué)網(wǎng)格的劃分
6、學(xué)習(xí)結(jié)果后處理的查看與對(duì)比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018
針對(duì)某袋除塵器整體進(jìn)行ABAQUS有限元分析，考慮九項(xiàng)載荷工況，分析設(shè)備靜應(yīng)力、熱應(yīng)力、變形及熱膨脹數(shù)值11個(gè)月前
某袋除塵殼體結(jié)構(gòu)選型如下：
箱體板厚5mm
箱體角柱：角鋼L90*56*8
箱體加強(qiáng)筋：角鋼L90*56*6
花板厚6mm
花板下加強(qiáng)筋：橫向?yàn)楸怃?0*6，縱向?yàn)楸怃?00*6
箱體中間支撐管：鋼管Φ60*5
圖1 袋除塵殼體結(jié)構(gòu)示意圖
2、 建立模型
按照殼體結(jié)構(gòu)示意圖建立幾何模型如圖2所示。
煙道結(jié)構(gòu)
煙道壁厚5mm，圖1為煙道結(jié)構(gòu)及其支座示意圖、除塵器支座設(shè)置示意圖。
圖1 袋除塵煙道結(jié)構(gòu)及其支座、除塵器支座設(shè)置示意圖
建立模型
由于進(jìn)氣煙道與殼體之間沒有膨脹節(jié)，因此需要考慮殼體的熱膨脹對(duì)煙道的影響，殼體已經(jīng)過計(jì)算滿足要求，本模型無需建立加強(qiáng)筋等部件，如圖2所示。出氣煙道與除塵器之間設(shè)置有膨脹節(jié)，故單獨(dú)建立出氣煙道模型
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
3、與剎車盤熱結(jié)構(gòu)耦合相關(guān)的工程師
你會(huì)得到什么：
1、掌握剎車盤三維模型的繪制
2、掌握剎車盤熱結(jié)構(gòu)耦合分析相關(guān)的材料參數(shù)設(shè)置
3、理解剎車盤熱結(jié)構(gòu)耦合的分析步的建立
4、學(xué)習(xí)剎車盤熱結(jié)構(gòu)耦合的相互關(guān)系的設(shè)置
5、了解剎車盤熱結(jié)構(gòu)耦合網(wǎng)格的劃分
6、學(xué)習(xí)剎車盤熱結(jié)構(gòu)耦合的載荷施加
7、學(xué)習(xí)結(jié)果后處理的查看與對(duì)比
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
3、與切削工藝相關(guān)的工程師
你會(huì)得到什么：
1、掌握三維模型的繪制
2、掌握熱結(jié)構(gòu)耦合顯示動(dòng)力學(xué)分析相關(guān)的材料參數(shù)設(shè)置
3、理解動(dòng)力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)切削相關(guān)的相互關(guān)系的設(shè)置
5、了解顯示動(dòng)力學(xué)網(wǎng)格的劃分
6、學(xué)習(xí)結(jié)果后處理的查看與對(duì)比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
3、與切削工藝相關(guān)的工程師
你會(huì)得到什么：
1、掌握二維模型的繪制
2、掌握熱結(jié)構(gòu)耦合顯示動(dòng)力學(xué)分析相關(guān)的材料參數(shù)設(shè)置
3、理解動(dòng)力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)切削相關(guān)的相互關(guān)系的設(shè)置
5、了解顯示動(dòng)力學(xué)網(wǎng)格的劃分
6、學(xué)習(xí)結(jié)果后處理的查看與對(duì)比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
案例介紹了ABAQUS
220 基于matlab的考慮直齒輪熱彈耦合的動(dòng)力學(xué)分析，輸入主動(dòng)輪、從動(dòng)輪各類參數(shù)，考慮潤(rùn)滑油溫度、潤(rùn)滑油粘度系數(shù)等參數(shù)，輸出接觸壓力、接觸點(diǎn)速度、摩擦系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)等結(jié)果。程序已調(diào)通，可直接運(yùn)行。
署名作者：陳文杰1, 李永東2, 白長(zhǎng)青1
作者單位：1. 西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省先進(jìn)飛行器服役環(huán)境與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710049；2. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077
本文是《Advances in Bridge Engineering》最新發(fā)表英文論文的摘錄稿，簡(jiǎn)要介紹原文的研究意義、過程和方法以及主要結(jié)論。采用中文摘錄稿的形式，方便閱讀，節(jié)約讀者時(shí)間。感興趣的讀者，請(qǐng)點(diǎn)擊文末左下方“閱讀原文”，可免費(fèi)下載英文全文。
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論文鏈接
論文鏈接：
減振橡膠疲勞黏滯生熱的仿真分析[J]
http://dx.chinadoi.cn/10.13465/j.cnki.jvs.2021.12.026
http://dx.chinadoi.cn/10.13465/j.cnki.jvs
