熱-力耦合分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-12-01
熱-力耦合分析的視頻教程
考慮熱-電-力-化耦合的復(fù)合材料雷擊損傷分析
本課程講解了如何通過abaqus軟件對復(fù)合材料雷擊損傷進(jìn)行分析。通過考慮雷擊過程的電-熱-力-化學(xué)多場耦合，計(jì)算了復(fù)合材料雷擊過程中的電場、溫度場、損傷場及熱解度場。同時(shí)也對復(fù)合材料雷擊后的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了分析，講解了不同場在計(jì)算中的傳遞方法，獲得了雷擊對復(fù)合材料的影響效果。
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泵殼的穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析_基于ANSYSWorkbench的熱結(jié)構(gòu)耦合順序分析
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基于Abaqus的熱瞬態(tài)分析和熱固耦合分析（附CAE模型）
本套視頻詳細(xì)介紹了基于Abaqus的熱瞬態(tài)分析和熱固耦合分析的全過程，從幾何模型的創(chuàng)建到載荷約束的設(shè)置方法，非常詳細(xì)。
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熱-力耦合分析的實(shí)例教程
基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據(jù)其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計(jì)算結(jié)構(gòu)體的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導(dǎo)致盤片變形，變形的盤片進(jìn)一步影響盤片和摩擦片的接觸關(guān)系，又進(jìn)一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合。
隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態(tài)模塊進(jìn)行完全熱-力耦合分析。
圖1 WB耦合場模塊
2、三維模型搭建與網(wǎng)格劃分
利用solidworks對剎車盤進(jìn)行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預(yù)定距離為1mm，如圖2所示，導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行幾何清理（將小孔、窄邊等進(jìn)行優(yōu)化）和網(wǎng)格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網(wǎng)格兼容性較好，因此Hypermesh導(dǎo)出網(wǎng)格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。
圖2剎車盤三維模型
圖3 剎車盤網(wǎng)格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導(dǎo)入.inp網(wǎng)格文件，搭建分析流程，如圖4所示。
圖4 分析流程搭建
3.1 材料定義
材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數(shù)，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)是三個必要的熱力學(xué)參數(shù)。
展開 然而，其各向異性特性在高溫環(huán)境（如氣動加熱、發(fā)動機(jī)熱載荷、太空極端溫度循環(huán)）下帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：熱膨脹不協(xié)調(diào)、熱應(yīng)力集中、層間失效風(fēng)險(xiǎn)陡增。
傳統(tǒng)分析方法難以精確模擬此類材料復(fù)雜的各向異性熱傳導(dǎo)和非線性熱力耦合行為，往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)過度保守、試驗(yàn)成本高昂且失效風(fēng)險(xiǎn)難以有效控制。因此，如何精準(zhǔn)預(yù)測復(fù)合材料在熱載荷作用下的變形與應(yīng)力分布，成為提升其可靠性的核心難題。
熱傳遞的4個類型
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，海克斯康工業(yè)軟件旗下的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Nastran在復(fù)合材料熱分析及熱-力耦合分析領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。MSC Nastran憑借其在熱傳導(dǎo)模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強(qiáng)大能力，將有效突破復(fù)合材料熱力學(xué)分析的瓶頸，助力提升設(shè)計(jì)精度與產(chǎn)品可靠性。
本期直播講堂請到了海克斯康結(jié)構(gòu)仿真軟件應(yīng)用專家李坤鵬，在直播間中講師將重點(diǎn)講解MSC Nastran在復(fù)合材料熱分析及熱機(jī)耦合分析方面的各項(xiàng)功能，并以多個應(yīng)用案例展示其在解決復(fù)合材料熱力學(xué)分析難題的創(chuàng)新之處。敬請關(guān)注！
直播報(bào)名
8月21日 14:00
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立即預(yù)定
直播內(nèi)容聚焦
? 熱傳導(dǎo)模擬：精準(zhǔn)預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場分布
? 熱-力耦合分析：高效求解溫度梯度引發(fā)的熱應(yīng)力與熱變形
? 性能與失效評估：識別熱環(huán)境下的潛在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域
李坤鵬
海克斯康結(jié)構(gòu)仿真軟件應(yīng)用專家
精通結(jié)構(gòu)有限元分析，有豐富的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，參與完成的重大項(xiàng)目包括：飛機(jī)適航強(qiáng)度分析、貨機(jī)改裝強(qiáng)度分析、復(fù)雜電機(jī)傳動產(chǎn)品失效分析與對標(biāo)。
展開 Abaqus以制動盤轉(zhuǎn)動為例的力熱耦合分析-01-15.pdf
當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會同時(shí)受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對復(fù)合材料承載力的影響。
對復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強(qiáng)耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析。
電-熱強(qiáng)耦合分析
電流流過導(dǎo)體的過程中，所耗散的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導(dǎo)體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設(shè)耗散的電能全部轉(zhuǎn)換為熱量，則ηv=1.
熱傳導(dǎo)方程可以用下式描述
美國軍用標(biāo)準(zhǔn)給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進(jìn)行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
最后
建立如圖所示的平板進(jìn)行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點(diǎn)處不同時(shí)間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據(jù)溫度場確定雷擊導(dǎo)致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標(biāo)記燒蝕的單元，并將其損傷設(shè)置為1.然后結(jié)合UMAT子程序，采用hashin準(zhǔn)則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復(fù)合材料平板進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，以獲得其剩余強(qiáng)度。計(jì)算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸載荷作用下，復(fù)合材料從雷擊點(diǎn)處開始發(fā)生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
展開 當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會同時(shí)受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對復(fù)合材料承載力的影響。
對復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強(qiáng)耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析。
電-熱強(qiáng)耦合分析
電流流過導(dǎo)體的過程中，所耗散的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導(dǎo)體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設(shè)耗散的電能全部轉(zhuǎn)換為熱量，則ηv=1.
熱傳導(dǎo)方程可以用下式描述
美國軍用標(biāo)準(zhǔn)給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進(jìn)行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
建立如圖所示的平板進(jìn)行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點(diǎn)處不同時(shí)間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據(jù)溫度場確定雷擊導(dǎo)致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標(biāo)記燒蝕的單元，并將其損傷設(shè)置為1.然后結(jié)合UMAT子程序，采用hashin準(zhǔn)則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復(fù)合材料平板進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，以獲得其剩余強(qiáng)度。計(jì)算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸載荷作用下，復(fù)合材料從雷擊點(diǎn)處開始發(fā)生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
有Abaqus相關(guān)的問題可以聯(lián)系扣扣1653004885
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熱-力耦合分析的最新內(nèi)容
</p><p>一、論文總體路線</p><p>（一）輸入數(shù)據(jù)與工況參數(shù)統(tǒng)一集成</p><p>圖1首先表明方法以試驗(yàn)或數(shù)值模擬獲得的加載端荷載–位移（P–δ）曲線作為主要輸入，同時(shí)引入環(huán)境溫度變化參數(shù)，用于表征 FRP 與基底之間因熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的熱變形不相容效應(yīng)，從源頭上將熱–力耦合因素納入分析框架。
高效的多物理場耦合分析
熱-力耦合：精準(zhǔn)分析溫度場與應(yīng)力場的相互影響
流-固耦合：模擬流體與結(jié)構(gòu)的相互作用
電-熱-力耦合：適用于電子設(shè)備、電池等領(lǐng)域的多場分析
壓電-結(jié)構(gòu)耦合：用于智能材料與傳感器的仿真
3.
概述
PCB 組件在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量會直接影響其電性能與長期可靠性。過高的溫度或頻繁的溫度波動會引發(fā)材料老化、信號失真，并因材料間熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂、器件失效等故障。因此，評估 PCB 可靠性必須進(jìn)行瞬態(tài)熱力耦合分析，即先分析動態(tài)溫度場，再計(jì)算由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
目標(biāo)
通過高保真建模仿真，系統(tǒng)觀察并量化印刷電路板（PCB）上關(guān)鍵元器件在瞬態(tài)熱載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)與應(yīng)力表現(xiàn)
借助Multiscale Designer的多尺度建模能力，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了從微觀纖維/基體界面到宏觀機(jī)翼盒段的全尺度模型，通過熱-力耦合分析量化高溫環(huán)境下樹脂降解對結(jié)構(gòu)性能的影響，并采用GPU并行計(jì)算技術(shù)將全尺寸疲勞分析耗時(shí)從72小時(shí)縮減至8小時(shí)。
Comsol凍土路基（熱-水-力耦合）模型，水熱采用PDE建模，力學(xué)采用軟件自帶的固體力學(xué)模塊，路基分為兩層土，計(jì)算時(shí)間一年，附帶參考文獻(xiàn)。
<p>通過本案例學(xué)習(xí)使用 DEFORM-2D/3D 建立電阻頂鍛焊仿真模型，掌握電-熱-力耦合分析流程，理解鋯合金在電阻焊接過程中的：</p><p>? 電流分布與焦耳熱產(chǎn)生；</p><p>? 溫度場與材料軟化；</p><p>? 塑性流動與界面形成；</p><p>? 焊核幾何與組織演化關(guān)系。
——科研到工程：Abaqus Goldak 雙橢球 + FROM FILE 實(shí)現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含 Goldak 熱源 DFLUX ）
適用人群：做焊接/鍵合殘余應(yīng)力/變形預(yù)測、增材制造熱-力場分析的工程師與研究生
代碼環(huán)境：Abaqus/CAE 2019（Python 2.7），Abaqus/Standard（DFLUX Fortran 子程序）
本文提供 兩個腳本（Abaqus/CAE
本方案利用 Ansys Mechanical 軟件，對焊球進(jìn)行熱-力耦合仿真，分析其在溫度循環(huán)過程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變與應(yīng)力。進(jìn)一步結(jié)合疲勞分析理論，評估焊球的疲勞壽命，從而識別潛在失效風(fēng)險(xiǎn)，提升產(chǎn)品耐用性。
介紹基于 Ansys Mechanical 軟件的芯片焊球溫循疲勞分析解決方案。
圖7 預(yù)應(yīng)力場變量設(shè)置
圖8 ABAQUS熱-力耦合分析流程圖
【溫度應(yīng)力結(jié)果對比】將各溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力云圖指標(biāo)進(jìn)行對比分析如下圖所示。
熱傳遞的4個類型
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，海克斯康工業(yè)軟件旗下的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Nastran在復(fù)合材料熱分析及熱-力耦合分析領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。MSC Nastran憑借其在熱傳導(dǎo)模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強(qiáng)大能力，將有效突破復(fù)合材料熱力學(xué)分析的瓶頸，助力提升設(shè)計(jì)精度與產(chǎn)品可靠性。
