熱澆道系統(tǒng)熱傳導(dǎo)分析的案例
Moldex3D模流分析之多澆口熱澆道系統(tǒng)
進(jìn)階熱澆道分析模塊簡(jiǎn)介
在塑料射出成型制程中，熱澆道系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜。人們普遍面臨精密溫度控制的挑戰(zhàn)以及塑料材料熱裂解的風(fēng)險(xiǎn)。Moldex3D進(jìn)階熱澆道分析模塊提供專(zhuān)業(yè)仿真工具，協(xié)助設(shè)計(jì)師與工程師取得熱澆道系統(tǒng)的機(jī)制與關(guān)鍵信息。使用者能詳查制程并發(fā)掘潛在瑕疵，進(jìn)而達(dá)成設(shè)計(jì)優(yōu)化。Moldex3D協(xié)助企業(yè)發(fā)展高質(zhì)量產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本，贏得全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
單澆口熱澆道系統(tǒng)
多澆口熱澆道系統(tǒng)
進(jìn)階熱澆道模塊的主要特色
?支持eDesign與Solid項(xiàng)目
?支持全系列的熱澆道組件
熱澆道系統(tǒng)中的金屬組件
熱澆道系統(tǒng)中的加熱組件
?能指定各別不同熱澆道金屬的材料熱性質(zhì)
金屬材料的設(shè)定
?與實(shí)際情況相同，熱澆道的熔膠溫度是受加熱線圈影響與控制。
加熱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定
?檢視熱澆道系統(tǒng)的溫度分布與變化
進(jìn)階熱澆道模塊的應(yīng)用案例
Moldex3D對(duì)熱澆道開(kāi)發(fā)之效益
?仿真真實(shí)熱澆道系統(tǒng)，提供流道與模座內(nèi)部的熔膠溫度分布與歷程。
?檢查熱澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改善與優(yōu)化內(nèi)部組件設(shè)計(jì)，如加熱線圈、分流板、熱嘴等。
?深入了解熱澆道設(shè)計(jì)對(duì)成型制程與產(chǎn)品質(zhì)量的影響，如射壓、鎖模力、縫合線、收縮、翹曲等問(wèn)題。
?協(xié)助模具與產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更。
?幫助診斷問(wèn)題成因與驗(yàn)證解決方案。
?快速大量累積專(zhuān)業(yè)知識(shí)：
?使其成為 know-how
?成為熱澆道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
展開(kāi) 應(yīng)用 CAE 模流分析技術(shù)在閥式熱澆道系統(tǒng)之模具設(shè)計(jì)
應(yīng)用 CAE 模流分析技術(shù)在閥式熱澆道系統(tǒng)之模具設(shè)計(jì)
■劉文斌/型創(chuàng)科技 技術(shù)總監(jiān)
前言
有鑒于模具的后加工便利性與成品質(zhì)量考量，熱澆道系統(tǒng)已普遍被大形式的模具所采用，其優(yōu)勢(shì)具備節(jié)省塑料、避免結(jié)合線、降成型周期、與控制塑件翹曲變形。由于大型式的模具修模費(fèi)用相當(dāng)昂貴且加工時(shí)間冗長(zhǎng)，若再以傳統(tǒng)式的設(shè)計(jì)思維”憑過(guò)去的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)決定未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)”，試模次數(shù)與模具成本的支出將無(wú)法有效被預(yù)測(cè)，產(chǎn)業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將因此散失。運(yùn)用CAE 模流分析的計(jì)算機(jī)試模觀念，協(xié)助設(shè)計(jì)人員檢視其產(chǎn)品與模具設(shè)計(jì)的可行性，并透過(guò)分析數(shù)據(jù)的相互比較尋找出最適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)組別，使產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)階段即可將淺在的設(shè)計(jì)盲點(diǎn)挑出。由此方式后續(xù)實(shí)際試模的次數(shù)與修模的機(jī)會(huì)將可大大減少，成品獲利將可大幅提升。本文藉由一件保險(xiǎn)桿分析，透過(guò)多項(xiàng)參數(shù)比較閥式澆口的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。
何謂熱澆道系統(tǒng)
熱澆道模具是將傳統(tǒng)式模具或三板式模具的澆道與流道經(jīng)加熱，于每一成形時(shí)即不需要取出流道和澆道的一種嶄新設(shè)計(jì)且在射出成形模具產(chǎn)業(yè)中扮演關(guān)鍵零件性角色，它提供著射出成形模具中從射出機(jī)的噴嘴處到模具的模穴之間塑料流動(dòng)的控制。透過(guò)熱流板、熱嘴、及其控制系統(tǒng)的功能，讓模具在成形時(shí)能提升塑品質(zhì)量、加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、做出高難度產(chǎn)品。
何謂閥式澆口
閥式澆口是熱澆道模具的另一種設(shè)計(jì)，透過(guò)” 時(shí)間序列控制器” 讓澆口可以分段開(kāi)啟與關(guān)閉，在多澆口的模具設(shè)計(jì)中避免結(jié)合線與減少翹曲變形的產(chǎn)生。此技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)已逐漸廣泛被使用在汽機(jī)車(chē)產(chǎn)業(yè)與計(jì)算機(jī)周邊產(chǎn)品。以Amold 熱澆道系統(tǒng)而言，閥澆口共有3種設(shè)計(jì)方式，包括” 單點(diǎn)模具中心進(jìn)澆”、” 多點(diǎn)組合式熱流板進(jìn)澆” 及” 多點(diǎn)整體型熱流板進(jìn)澆” 方式可供選擇。
展開(kāi) Moldex3D模流分析之熱澆道模組準(zhǔn)備分析
計(jì)算參數(shù) (Computation Parameter)
在下圖中，計(jì)算參數(shù)的冷卻 (Cool) 頁(yè)面中需選擇進(jìn)階熱澆道的選項(xiàng)，以執(zhí)行進(jìn)階熱澆道分析。該選項(xiàng)若沒(méi)勾選，則熱澆道中的熔膠溫度假設(shè)為不隨時(shí)間變化。如果沒(méi)有組件被設(shè)定為熱澆道金屬，進(jìn)階熱澆道的選項(xiàng)將會(huì)呈現(xiàn)灰色鎖住的狀態(tài)。除瞬時(shí)與穩(wěn)態(tài)冷卻分析選項(xiàng)的默認(rèn)值之外，用戶(hù)也可設(shè)定全瞬時(shí)冷卻分析的參數(shù)，以取得更精確的分析結(jié)果。
在冷卻計(jì)算參數(shù)中勾選進(jìn)階熱澆道的選項(xiàng)
分析順序設(shè)定
熱流道穩(wěn)態(tài)分析
Moldex3D支持熱流道穩(wěn)態(tài)分析以逼近在制程中真實(shí)的熱流道內(nèi)部溫度分布，捕捉多澆口系統(tǒng)的流道行為。熱流道穩(wěn)態(tài)分析可協(xié)助大型塑件、多模穴和成套制品模具的熱流道配置設(shè)計(jì)，解決流動(dòng)不平衡的問(wèn)題。使用者可遵循以下步驟執(zhí)行熱流道穩(wěn)態(tài)分析：
?建立一個(gè)含熱流道的模型，且具有Advanced Hot Runner授權(quán)以在計(jì)算參數(shù)內(nèi)啟用熱流道穩(wěn)態(tài)功能。
?在計(jì)算參數(shù)的熱流道穩(wěn)態(tài)活頁(yè)下設(shè)定熱流道穩(wěn)態(tài)分析的相關(guān)參數(shù)，例如：入口流率、收斂標(biāo)準(zhǔn)、以及每個(gè)澆口的壓力，用戶(hù)可維持默認(rèn)值。
?在此提供兩種默認(rèn)的分析順序：1) 熱流道穩(wěn)態(tài)分析單獨(dú)計(jì)算熱流道；2) 熱流道穩(wěn)態(tài)分析之后接著計(jì)算充填分析或是其他使用者自定義的分析。
注：熱流道穩(wěn)態(tài)目前只支持瞬時(shí)冷卻分析(Ct)
展開(kāi) Moldex3D模流分析之進(jìn)階熱澆道分析模組
進(jìn) 階熱澆道分析 模塊簡(jiǎn)介
在塑料射出成型制程中，熱澆道系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜。人們普遍面臨精密溫度控制的挑戰(zhàn)以及塑料材料熱裂解的風(fēng)險(xiǎn)。Moldex3D進(jìn)階熱澆道分析模塊提供專(zhuān)業(yè)仿真工具，協(xié)助設(shè)計(jì)師與工程師取得熱澆道系統(tǒng)的機(jī)制與關(guān)鍵信息。使用者能詳查制程并發(fā)掘潛在瑕疵，進(jìn)而達(dá)成設(shè)計(jì)優(yōu)化。Moldex3D協(xié)助企業(yè)發(fā)展高質(zhì)量產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本，贏得全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
單澆口熱澆道系統(tǒng)
多澆口熱澆道系統(tǒng)
進(jìn) 階熱澆道 模塊的主要特色
?支持eDesign與Solid項(xiàng)目
?支持全系列的熱澆道組件
熱澆道系統(tǒng)中的金屬組件
熱澆道系統(tǒng)中的加熱組件
?能指定各別不同熱澆道金屬的材料熱性質(zhì)
金屬材料的設(shè)定
?與實(shí)際情況相同，熱澆道的熔膠溫度是受加熱線圈影響與控制。
加熱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定
?檢視熱澆道系統(tǒng)的溫度分布與變化
進(jìn)階熱澆道模塊的應(yīng)用案例
Moldex3D 對(duì) 熱澆道 開(kāi)發(fā)之效益
?仿真真實(shí)熱澆道系統(tǒng)，提供流道與模座內(nèi)部的熔膠溫度分布與歷程。
?檢查熱澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改善與優(yōu)化內(nèi)部組件設(shè)計(jì)，如加熱線圈、分流板、熱嘴等。
?深入了解熱澆道設(shè)計(jì)對(duì)成型制程與產(chǎn)品質(zhì)量的影響，如射壓、鎖模力、縫合線、收縮、翹曲等問(wèn)題。
?協(xié)助模具與產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更。
?幫助診斷問(wèn)題成因與驗(yàn)證解決方案。
?快速大量累積專(zhuān)業(yè)知識(shí)：
?使其成為 know-how
?成為熱澆道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
展開(kāi) 
Moldex3D模流分析之熱澆道模組前處理
前處理 (Pre-processing)
基本流程
進(jìn)階熱澆道模塊的主要特色將會(huì)在此章節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。首先，Moldex3D進(jìn)階熱澆道模塊支持eDesign與Solid項(xiàng)目。進(jìn)階熱流道分析的流程與傳統(tǒng)射出分析相似，因此相關(guān)基本功能的操作說(shuō)明請(qǐng)參考前面章節(jié)內(nèi)容。在前處理階段，需加入熱澆道系統(tǒng)中的三類(lèi)型組件：
1. 熱澆道金屬：例如襯套、熱流板、熱嘴、閥針…
熱澆道金屬
2. 加熱系統(tǒng)：加熱線圈、感測(cè)節(jié)點(diǎn)（感溫線位置）
加熱系統(tǒng)
3. 模座與熱澆道金屬之間的邊界條件：
Moldex3D提供二種熱傳邊界條件的設(shè)定方式。
?第一種方式：在實(shí)務(wù)上，熱澆道模具通常會(huì)設(shè)計(jì)空氣層來(lái)預(yù)防流道系統(tǒng)的高溫散失到模座。在軟件默認(rèn)的情況下熱澆道金屬即具有類(lèi)似空氣層的絕熱條件，熱澆道系統(tǒng)的熱傳效應(yīng)僅會(huì)透過(guò)使用者所指定的熱傳導(dǎo)面擴(kuò)散至模座。
熱傳導(dǎo)面
?第二種方式：使用者可以依照空氣層幾何建構(gòu)網(wǎng)格，并將該網(wǎng)格的熱傳性質(zhì)指定成與空氣相同。若利用此方式進(jìn)行熱傳邊界條件的指定，就不需要額外指定熱傳導(dǎo)面。
依Fast Cool或Standard Cool的不同，下表中列出二者之間的組件需求型式。
1. Moldex3D Studio前處理 (Pre-Processing in Moldex3D Studio)
在Moldex3D Studio中能預(yù)先處理并自動(dòng)建立進(jìn)階熱澆道分析的幾何模型，設(shè)定熱澆道組件的屬性、指定邊界條件及設(shè)定計(jì)算參數(shù)。Moldex3D Studio的前處理步驟如下：
首先，匯入塑件與流道的幾何至Studio，并設(shè)定流道屬性為熱流道。接著，加熱棒或加熱線圈也可使用.stl格式匯入。如果曲線以.igs格式匯入，需使用屬性功能設(shè)定加熱棒的直徑。
展開(kāi) Moldex3D模流分析之熱澆道產(chǎn)業(yè)解決方案
產(chǎn)業(yè)總覽
熱澆道系統(tǒng)通常在塑料注射模具中使用，可以在各個(gè)行業(yè)中如 : 汽車(chē)，電子，醫(yī)療等領(lǐng)域使用。熱澆道系統(tǒng)需要良好的溫度控制來(lái)保持熔膠溫度。一般來(lái)說(shuō)，選擇外部加熱方法可以提高整體熱量的分布；然而，此方式對(duì)對(duì)產(chǎn)品還是熱澆道系統(tǒng)本身都有許多潛在的問(wèn)題會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)。熱澆道系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜許多，往往面臨著溫度如何控制以及塑膠材料遇熱降解等風(fēng)險(xiǎn)；常見(jiàn)問(wèn)題為熱澆道系統(tǒng)透過(guò)散熱傳導(dǎo)高溫到模座中產(chǎn)生較高的模具溫度，進(jìn)而增加成型循環(huán)時(shí)間。另一個(gè)問(wèn)題則是流道流量的平衡問(wèn)題，對(duì)許多模具設(shè)計(jì)者而言，如何做到平衡的流動(dòng)行為總是不容易的任務(wù)，而且不同的流道管徑及配置都將增加流道平衡的難度。
Moldex3D優(yōu)勢(shì)
Moldex3D能夠模擬完整的熱澆道系統(tǒng)，包括熱噴嘴、加熱線圈、襯套、閥針和歧管部件。在模擬應(yīng)用優(yōu)勢(shì)中，Moldex3D能夠顯示熱澆道動(dòng)態(tài)的熔膠溫度、壓降、剪切加熱效應(yīng)和模具溫度分布。這些模擬結(jié)果將有助于了解復(fù)雜的熱澆道系統(tǒng)及早期于熱澆道設(shè)計(jì)階段即發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。透過(guò)Moldex3D優(yōu)化了熱澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以降低試模成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，并有效提高產(chǎn)品品質(zhì)。
問(wèn)題挑戰(zhàn)與Moldex3D解決方案
熱澆道系統(tǒng)
挑戰(zhàn)
各種不同的熱澆道系統(tǒng)，其機(jī)制是非常龐大且?jiàn)W秘的，流動(dòng)不平衡、流動(dòng)死角、不均勻加熱都是熱澆道系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上非常重要的議題。更甚者，過(guò)度加熱造成的材料降解將影響最終產(chǎn)品品質(zhì)。因此，如何維持熔膠溫度是關(guān)鍵，這與整個(gè)系統(tǒng)的幾何設(shè)計(jì)和溫控方式有緊不可分的關(guān)系。
解決方案
Moldex3D Solution Add-ons支援各種創(chuàng)新的成型技術(shù)。
熱澆道設(shè)備商
挑戰(zhàn)與解決方案
Moldex3D能幫助設(shè)計(jì)者與制造商檢查熱澆道系統(tǒng)內(nèi)的熔膠溫度、壓降、剪切生熱及模具溫度的分布動(dòng)態(tài)。利用模擬結(jié)果有助于了解復(fù)雜的熱澆道系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并解決重要的潛在問(wèn)題。
展開(kāi) Moldex3D模流分析之Moldex3D協(xié)助YUDO完成熱澆道設(shè)計(jì)驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)
熱澆道模具成型時(shí)不會(huì)產(chǎn)生澆道廢料，具備節(jié)能省料和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間優(yōu)點(diǎn)。熱澆道可以取代傳統(tǒng)冷澆道并克服產(chǎn)品的缺陷，例如：消弭結(jié)合線、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低射壓/ 鎖模力以及縮短成型周期。更重要的是，熱澆道可以節(jié)省廢料產(chǎn)生，達(dá)到節(jié)能減排，徹底推行”綠色模具”。
但也因?yàn)?em>熱澆道系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，時(shí)常遭遇流動(dòng)不平衡、流動(dòng)死角和受熱不均勻等問(wèn)題。更嚴(yán)重的問(wèn)題像是因過(guò)熱產(chǎn)生塑料熱裂解，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。如何能維持熔膠溫度均勻性是一大關(guān)鍵，這和模型幾何設(shè)計(jì)以及整個(gè)熱澆道系統(tǒng)和溫控方法有非常緊密的關(guān)系。
經(jīng)過(guò)不斷改善設(shè)計(jì)工藝，Moldex3D有效協(xié)助YUDO縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本并鞏固全球競(jìng)爭(zhēng)力。
“YUDO對(duì)模流分析并不陌生，面對(duì)市場(chǎng)和客戶(hù)的挑戰(zhàn)，我們一直都希望能擁有可以提升質(zhì)量又能降低成本和縮短上市周期的技術(shù)。Moldex3D在熱澆道模具驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)上，能提供進(jìn)階且精準(zhǔn)的分析，尤其具備真實(shí)三維分析和高效能計(jì)算云端，是我們選擇Moldex3D的理由?！盰UDO 總裁 Francis Yu 說(shuō)道。
Moldex3D 支持建立完整熱澆道系統(tǒng)仿真分析
展開(kāi) Moldex3D模流分析之怎樣改善單穴閥式熱澆道之流動(dòng)不平衡及型蕊偏移現(xiàn)象
圖四 公模仁材質(zhì)與流動(dòng)平衡分析
表一 不同模具鋼材與型芯偏移之翹曲量
其次，透過(guò)公模仁平移，母模固定不動(dòng)，如圖五所示，利用墊片將公模仁沿Ｙ方向調(diào)整，使原本平均肉厚的模型空間產(chǎn)生肉厚差異變化，并透過(guò)公模仁位移觀察流動(dòng)結(jié)果。結(jié)果如圖六所示，在原始狀態(tài)未進(jìn)行偏移時(shí)，包封位于+Y方向中間位置，公模仁位移-0.08mm后，包封位移到-Y方向且縫合線會(huì)合角度明顯變大，減少包封情形進(jìn)而控制公模仁翹曲的情形。
圖五 公模仁往-Y方向平移
圖六 公模仁位移對(duì)流動(dòng)結(jié)果影響
透過(guò)調(diào)整正反操作側(cè)模溫差異產(chǎn)生對(duì)型芯偏移的影響，模具設(shè)計(jì)時(shí)間將正反操作側(cè)水路設(shè)定為獨(dú)立循環(huán)(如圖七所示)，以利兩側(cè)模溫獨(dú)立控制。原始兩側(cè)模溫設(shè)定為50℃，透過(guò)調(diào)整正反操作側(cè)溫度觀察，當(dāng)操作側(cè)溫度為40℃反操作側(cè)溫度為49.9℃時(shí)，流動(dòng)波前落差明顯改善，解決包封問(wèn)題(如圖八所示)。
圖七 冷卻水路設(shè)計(jì)
圖八 公模仁位移0.06mm搭配模溫控制對(duì)流動(dòng)結(jié)果影響
最終，根據(jù)以上不同設(shè)計(jì)變更，如熱流道形式、模具鋼材、公模仁平移量以及正反操作側(cè)的模具溫度設(shè)定等，可以觀察到這些因素對(duì)產(chǎn)品的流動(dòng)行為、包封位置、縫合線位置以及公模仁的翹曲造成不同程度影響。如圖九 (a) 顯示，在進(jìn)行Moldex3D科學(xué)試模之前，試模產(chǎn)品因?yàn)楣Ｈ事N曲而造成嚴(yán)重的脫模痕、縫合線和包封問(wèn)題。然而，透過(guò)Moldex3D的分析，判斷形成缺陷的原因并且優(yōu)化操作條件，最終成功達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。如圖九 (b) 顯示，最佳的操作條件是使用雙向熱流道系統(tǒng)、公模仁平移0.06毫米、正操作側(cè)的模具溫度設(shè)定為35℃以及反操作側(cè)的模具溫度設(shè)定為70℃，作為最終的操作條件。
展開(kāi) 水壺的傳熱分析（熱傳導(dǎo)+熱對(duì)流+熱輻射） ￥5
分享一個(gè)通過(guò)ABAQUS做的水壺的傳熱分析，包含熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)+熱對(duì)流+熱輻射。
方法教程來(lái)自于外網(wǎng)，附件是自己根據(jù)教程練習(xí)時(shí)建的cae模型，供參考。
熱傳導(dǎo)是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過(guò)程；熱對(duì)流是熱量通過(guò)流動(dòng)介質(zhì)傳遞的過(guò)程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。
【材料】鋼/陶瓷
【網(wǎng)格】DC3D10
【接觸】
茶壺和蓋子之間的傳導(dǎo)
2.對(duì)流
3.熱輻射
【設(shè)置絕對(duì)零度+Stefan-Boltzmann常數(shù)】
【邊界條件】
【預(yù)定義溫度場(chǎng)】
【后處理】
展開(kāi) Abaqus熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識(shí)介紹
熱傳遞的分析目標(biāo)是研究熱量的傳遞過(guò)程。熱傳遞分析以熱變量或與熱相關(guān)的變量的形式來(lái)計(jì)算熱響應(yīng)，如溫度分布和溫度梯度以及熱通量。
熱傳遞分析包括兩種類(lèi)型，第一種，非耦合的熱響應(yīng)，即純熱傳遞分析；第二種耦合的響應(yīng)（熱-應(yīng)力分析），分為順序耦合和完全耦合。純熱傳遞分析在Abaqus/Standard中完成，耦合響應(yīng)在Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中完成。
熱傳遞包括三種模式：
傳導(dǎo)，也被稱(chēng)為“實(shí)體熱傳遞”，發(fā)生在物體內(nèi)的分子水平上，金屬是典型的熱的良導(dǎo)體，氣體則不是。
對(duì)流，是通過(guò)熱物質(zhì)（氣體或者流體）的流動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞，包括自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，如水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用引起的對(duì)流。
輻射，即電磁輻射，發(fā)生不需要介質(zhì)，真空中亦可。
熱傳遞可以上述一種或幾種模式的組合來(lái)進(jìn)行。在熱傳遞分析中用到的基本量有以下這些，如圖所示。
abaqus-復(fù)合材料仿真分析基礎(chǔ)篇.pdf
展開(kāi) 關(guān)于熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力有限元分析清單
1、熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)：
1.根據(jù)能量守恒定律，可以建立熱傳導(dǎo)微分方程（拋物線型微分方程，傅立葉方程）：
其中 c為體積比熱(J/m3·K)
Q為物體內(nèi)部單位體積的熱生成率(W/m3)
q是熱流密度(W/m2)
t為時(shí)間(s)
2.是單位時(shí)間體積傳導(dǎo)到物體的熱量（外因）
是熱源強(qiáng)度(單位時(shí)間體積內(nèi)熱源生成的熱量)（內(nèi)因）
是單位時(shí)間體積溫度升高所需的熱量（結(jié)果）
這個(gè)方程表示在單位時(shí)間內(nèi)物體用于溫度升高所需要的熱量等于外部傳入的熱量與內(nèi)部熱源提供熱量之和，即熱量對(duì)溫度的影響，熱量是因，溫度是果。
3.根據(jù)Fourier定律，熱流密度可用溫度梯度表示成：
其中k為材料的熱傳導(dǎo)率(W/m·K)
代入熱傳導(dǎo)拋物線型方程，得到微分方程：
這個(gè)微分方程的被求函數(shù)就是溫度
4. 對(duì)于一般的工程問(wèn)題，熱傳導(dǎo)率k通常為常數(shù)；且結(jié)構(gòu)本身不產(chǎn)生熱量，熱量多是由外界傳入，所以Q＝0，這樣瞬態(tài)溫度場(chǎng)微分方程為：
當(dāng)溫度不再隨時(shí)間變化，得到穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)微分方程：
5. 第一類(lèi)邊界條件：給定邊界上的分布溫度，即
第二類(lèi)邊界條件：給定邊界上的熱流密度(溫度梯度)，即
第三類(lèi)邊界條件：在邊界處與周?chē)橘|(zhì)存在熱交換，包含邊界溫度和溫度梯度，是一種混合邊界，即
6. 對(duì)流傳熱邊界條件（牛頓冷卻定律）：
7. 輻射傳熱邊界條件（斯特藩-玻爾茲曼定律）：
2、熱傳導(dǎo)有限元分析理論
1.結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量：
結(jié)點(diǎn)溫度向量（計(jì)算對(duì)象）：
結(jié)點(diǎn)熱流密度向量：
熱傳導(dǎo)單元
2.
展開(kāi) 
單層平壁的熱傳導(dǎo)分析
計(jì)算平壁內(nèi)的溫度分布、導(dǎo)熱熱通量和溫度梯度。
二、問(wèn)題分析
實(shí)際物體均是具有空間的三維結(jié)構(gòu)，由于本例只沿著壁厚這一個(gè)方向進(jìn)行熱傳導(dǎo)，因此可通過(guò)三種方式建立模型：
（1）一維模型：由于本例熱傳導(dǎo)只沿著壁厚方向，可簡(jiǎn)化成一維的傳熱問(wèn)題。采用熱分析LINK33桿單元，平壁面積由實(shí)常數(shù)輸入。實(shí)常數(shù)中輸入面積（寬度W 乘以高度H）9 m2，平壁的壁厚b則是熱分析LINK33單元的長(zhǎng)度。見(jiàn)圖1(1)。
（2）二維模型：采用熱分析PLANE77平面單元，在單元選項(xiàng)中選擇帶有厚度的平面，見(jiàn)圖2.1.1(2)。平面的厚度即為平壁的壁厚b，平面的高度H輸入3 m；見(jiàn)圖1(2)。
（3）三維模型：采用熱單元SOLID70三維單元，沿著傳熱方向即為平壁的壁厚b，寬度W和高度H輸入3 m。見(jiàn)圖1(3)。
材料屬性中輸入導(dǎo)熱系數(shù)（導(dǎo)熱率）。在后處理中，輸出溫度、熱通量和溫度梯度的云圖，提取導(dǎo)熱速率的數(shù)值。
三、熱通量、溫度梯度和導(dǎo)熱速率與解析解對(duì)比
圖2給出了三維模型的熱分析結(jié)果云圖，表1給出了熱傳導(dǎo)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比。本算例為單層平壁導(dǎo)熱問(wèn)題，熱量只沿壁厚方向傳遞，沿著垂直壁厚的其他兩個(gè)方向認(rèn)為無(wú)熱量傳遞，因此采用一維、二維和三維模型的計(jì)算結(jié)果相同。
(1) 溫度云圖
(2) 溫度梯度和熱通量云圖
圖2 熱分析結(jié)果云圖
四、計(jì)算步驟
1．進(jìn)入ANSYS
程序→ANSYS → ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→job name：輸入file。
2．設(shè)置計(jì)算類(lèi)型
Main Menu> Preferences→ 選擇Thermal→ OK。
展開(kāi) FLOTHERM-V6 熱傳導(dǎo)分析
FLOTHERM是一套由電子系統(tǒng)散熱仿真軟件先驅(qū)----英國(guó)FLOMERICS軟件公司開(kāi)發(fā)并廣為全球各地電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和電子電路設(shè)計(jì)工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件全球排名第一且市場(chǎng)占有率高達(dá)80%以上。 FLOTHERM 采用了成熟的CFDComputational Fluid Dynamic計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)并結(jié)合了FLOMERICS公司在電子設(shè)備傳熱方面的大量獨(dú)特經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)而成同時(shí) FLOTHERM軟件還擁有大量專(zhuān)門(mén)針對(duì)電子工業(yè)而開(kāi)發(fā)的模型庫(kù)
海基科技FLOTHERM-V6_熱傳導(dǎo)分析.pdf
展開(kāi) Abaqus非傅里葉熱傳導(dǎo)分析
傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)分析建立在傅立葉定律基礎(chǔ)上，認(rèn)為熱流溫度梯度為線性分布，而且熱流傳播速度是無(wú)限大的。隨著瞬態(tài)加熱技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)即使在常溫或者高溫下，導(dǎo)熱規(guī)律也可能偏離傅里葉定律。非傅里葉導(dǎo)熱模型較傳統(tǒng)的拋物型方程(傅里葉模型)更復(fù)雜，其熱傳導(dǎo)特性受到松弛時(shí)間的影響。非傅里葉模型具有多種不同形式，目前最常見(jiàn)、最普遍的模型是雙曲型熱傳導(dǎo)模型。
Maxwell首先提出了雙曲型熱傳導(dǎo)模型
能量守恒方程為
聯(lián)立式1.1和1.2可得非傅里葉傳熱方程為
式中，T為溫度，t為時(shí)間，α為介質(zhì)的熱擴(kuò)散率，τ為熱松弛時(shí)間。
Abaqus中可以通過(guò)UMATHT子程序?qū)崿F(xiàn)式1.3的熱傳導(dǎo)模型。
建立如下圖所示的有限元模型，模型上下側(cè)為溫度邊界。
取τ=0，0.1，0.5，1.5進(jìn)行計(jì)算，平板中心點(diǎn)溫度變化曲線如下圖所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱松弛時(shí)間變大，溫度波動(dòng)越明顯，達(dá)到平衡所需的時(shí)間越長(zhǎng)。
熱松弛時(shí)間τ=0時(shí)，式1.1退化為傅里葉傳熱。
可以發(fā)現(xiàn)，τ=0時(shí)子程序和Abaqus自帶材料屬性計(jì)算得到的溫度變化規(guī)律一致。
展開(kāi) FLOEFD基礎(chǔ)教程-熱傳導(dǎo)分析
首先我們準(zhǔn)備仿真模型，如上圖，散熱片材料為鋁合金
點(diǎn)擊流動(dòng)分析進(jìn)入仿真分析界面 ，點(diǎn)向?qū)?，項(xiàng)目名稱(chēng)根據(jù)自己需要命名，然后點(diǎn)擊下一步
將溫度單位改為攝氏度
將熱量單位修改成W
注：這里為了以后方便，點(diǎn)新建，修改單位后會(huì)自動(dòng)保存一個(gè)單位系統(tǒng)，下次仿真時(shí)可以直接選用，不需要每次進(jìn)行設(shè)置修改。
