熱-力耦合分析的案例
基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
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，如已知溫度計算結構體的變形、應力、應變等；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，熱又導致盤片變形，變形的盤片進一步影響盤片和摩擦片的接觸關系，又進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、三維模型搭建與網格劃分
利用solidworks對剎車盤進行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預定距離為1mm，如圖2所示，導入Hypermesh中進行幾何清理（將小孔、窄邊等進行優(yōu)化）和網格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網格兼容性較好，因此Hypermesh導出網格類型為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 剎車盤網格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導入.inp網格文件，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)、熱傳導系數(shù)是三個必要的熱力學參數(shù)。
展開 直播預告 | MSC Nastran復合材料熱分析及熱機耦合分析
然而，其各向異性特性在高溫環(huán)境（如氣動加熱、發(fā)動機熱載荷、太空極端溫度循環(huán)）下帶來嚴峻挑戰(zhàn)：熱膨脹不協(xié)調、熱應力集中、層間失效風險陡增。
傳統(tǒng)分析方法難以精確模擬此類材料復雜的各向異性熱傳導和非線性熱力耦合行為，往往導致設計過度保守、試驗成本高昂且失效風險難以有效控制。因此，如何精準預測復合材料在熱載荷作用下的變形與應力分布，成為提升其可靠性的核心難題。
熱傳遞的4個類型
為應對這一挑戰(zhàn)，?？怂箍倒I(yè)軟件旗下的有限元結構分析軟件MSC Nastran在復合材料熱分析及熱-力耦合分析領域表現(xiàn)卓越。MSC Nastran憑借其在熱傳導模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強大能力，將有效突破復合材料熱力學分析的瓶頸，助力提升設計精度與產品可靠性。
本期直播講堂請到了?？怂箍到Y構仿真軟件應用專家李坤鵬，在直播間中講師將重點講解MSC Nastran在復合材料熱分析及熱機耦合分析方面的各項功能，并以多個應用案例展示其在解決復合材料熱力學分析難題的創(chuàng)新之處。敬請關注！
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8月21日 14:00
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直播內容聚焦
? 熱傳導模擬：精準預測復合材料結構內部溫度場分布
? 熱-力耦合分析：高效求解溫度梯度引發(fā)的熱應力與熱變形
? 性能與失效評估：識別熱環(huán)境下的潛在高風險區(qū)域
李坤鵬
海克斯康結構仿真軟件應用專家
精通結構有限元分析，有豐富的工程項目經驗，參與完成的重大項目包括：飛機適航強度分析、貨機改裝強度分析、復雜電機傳動產品失效分析與對標。
展開 Abaqus以制動盤轉動為例的力熱耦合分析Step by Step ￥3
Abaqus以制動盤轉動為例的力熱耦合分析-01-15.pdf
Abaqus 復合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導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
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準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行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據(jù)溫度場確定雷擊導致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計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，復合材料從雷擊點處開始發(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合材料強度的影響。
展開 
Abaqus 復合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導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
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準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行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據(jù)溫度場確定雷擊導致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計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，復合材料從雷擊點處開始發(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合材料強度的影響。
有Abaqus相關的問題可以聯(lián)系扣扣1653004885
展開 abaqus復合材料應用
實例操作:
1.復合材料層結構的三種常用建模方法、靜力分析中強度準則和損傷判據(jù)的引入、數(shù)據(jù)輸入與輸出
2.層合結構的熱-力耦合分析
3.基于虛裂紋閉合技術(VCCT)的分層擴展模擬
4.基于cohesive單元的分層/界面損傷擴展模擬
5.基于XFEM方法的裂紋擴展模擬
6.復合材料加筋板的壓潰分析
7.面內剪切載荷作用下的加筋板的承載能力預測
8.復合材料加筋板剪切失效模擬
9.顆粒增強金屬基復合材料結構建模、拉伸過程及失效分析
10.短纖維增強復合材料結構建模、胞元分析技術
11.復合材料加筋板自由振動分析
12.復合材料加筋板低速沖擊過程模擬
13.低速沖擊損傷的復合材料加筋板剩余壓縮強度計算
14.高速沖擊模擬
15.基于MATLAB的變角度鋪絲復合材料層合結構建模
16.基于Python的參數(shù)化建模及插件實例
17.基于UMAT接口子程序的材料彈塑性分析
18.基于UMAT接口子程序的材料粘彈性分析
19.基于USDFLD復合材料層合板的損傷分析
【abaqus復合材料】——第13期
（無限次回放視頻+班級微信群+案例模型+講義資料）
1、靜力分析和損傷、層合結構的熱-力耦合分析、
2、纖維增強復合材料層合板分層、界面損傷與xfem裂紋擴展
3、顆粒/短纖維拉伸與失效、胞元分析
4、復合材料加筋板壓潰、承載能力預測、剪切失效模擬
5、ABAQUS二次開發(fā)：以MATLAB、PYTHON及子程序和FORTRAN的二次開發(fā)方式為例
6、自由振動、動力響應分析、高低速沖擊、沖擊損傷加筋板剩余壓縮強度計算
7、abaqus復合材料 論文寫作及學術交流
【復合材料實例】老司機帶你玩轉abaqus！
展開 鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
這是由于熱導致的界面應力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會過熱，這又加速了電阻層的分離。最后，在 最糟糕的情況下，電路可能會過熱并燒壞。從這一角度而言，研究由于溫差以及電阻 層和基板的不同熱膨脹系數(shù)引起的界面張力也很重要。電阻層的幾何形狀是設計電路 正常工作的關鍵參數(shù)?？梢酝ㄟ^模擬電路來研究上述所有方面。
本案例基于一加熱電路模型，它由沉積在玻璃板上的電阻層組成，向電路施加電壓時，該電阻層產生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產生的熱量。模擬了加熱電路的焦耳熱分布以及熱膨脹變形，模擬結果如圖所示：
焦耳熱分布云圖
電熱板熱膨脹變形
感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流
展開 Comsol凍土路基（熱-水-力耦合）模型 ￥100
Comsol凍土路基（熱-水-力耦合）模型，水熱采用PDE建模，力學采用軟件自帶的固體力學模塊，路基分為兩層土，計算時間一年，附帶參考文獻。
基于Samcef Amaryllis的尾噴管熱固耦合熱燒蝕結構耦合分析
需要對發(fā)動機尾噴管進行熱結構與熱燒蝕分析，對不同材料鋪層厚度優(yōu)化設計，輸出不同燒蝕情況下溫度分布和應力分布。
首先確立噴管防熱層燒蝕仿真模型參數(shù)，邊界條件，然后獲得噴管燒蝕層厚度隨燒蝕時間的變化并進行熱應力分析，最后進行燒蝕層厚度優(yōu)化設計。
具體見附件。
尾噴管熱固耦合熱燒蝕結構.pdf
Abaqus 熱-力順序耦合與 DFLUX 詳解 ￥59.9
順序耦合（先熱后力）是工業(yè)中最穩(wěn)健的路線：
熱分析（Heat Transfer）：移動熱源 + 換熱邊界 → 得到溫度–時間歷程 T(x,y,z,t)；
映射（FROM FILE）：把熱場隨時間讀入力學模型；
力學分析（Static, nlgeom）：考慮 E(T)、σy(T)、α(T) 等 → 輸出殘余應力/變形。
為什么不能只做熱或只做力？
只做熱：沒有熱–力耦合的應力演化，無法預測殘余場；
只做力：沒有真實的溫度歷程驅動，熱應變與材料退化無從談起。
工程意義：
快速評估工藝窗口（功率/焊速/熱源形參）對峰溫、HAZ、殘余應力與翹曲的影響；
用自動化腳本把“手工建?！弊兂伞翱蓮陀昧鞒藤Y產”，支撐 DOE/靈敏度/優(yōu)化。
要讓結果可信，關鍵是：能量守恒、邊界換熱量級合理、材料熱物性/力學參數(shù)隨溫度變化；在力學側需最小約束消除剛體模態(tài)，并與熱網格一致以確保映射穩(wěn)定。
2. Goldak 雙橢球熱源、能量守恒與熱力耦合
符號：坐標 ；熱源中心位置 ；半軸 ；有效功率 ；分配系數(shù) （滿足 ）。
前半橢球（front，）
后半橢球（rear，$x
分段表達
能量守恒
軌跡（恒速 ，起點 ，起始時刻 ）
熱傳導控制方程（瞬態(tài)）
在域 、時間區(qū)間 內，溫度場 滿足瞬態(tài)能量守恒（不考慮相變）：
其中 為密度， 為定壓比熱， 為導熱系數(shù)， 為體熱源（W/m^3）。
初始條件：
邊界條件（三類任選/組合）：
指定溫度（Dirichlet）：
指定熱流（Neumann）：
對流 + 輻射（Robin）：
其中 為對流換熱系數(shù)， 為表面發(fā)射率， 為 Stefan–Boltzmann 常數(shù)， 為環(huán)境溫度。
展開 WB12.0化工部件熱結構耦合分析（熱結構耦合，路徑線性化）
huagongbujian有限元應力分析及強度校核報告.doc
化工部件的熱結構耦合分析：
關鍵點：熱結構耦合，路徑線性化，六面體網格，漸變圓角
耦合場分析是WB的優(yōu)勢功能之一，本報告利用WB做熱結構耦合，評價整體應力。由于報告中涉及隱私內容，故隱去一些關鍵數(shù)據(jù)和公式，望大家原諒。拋磚引玉，供大家交流學習經驗，共同進步！
利用Workbench 的Icepak和Mechanical模塊進行芯片力熱耦合計算
一直想進行力熱耦合計算，無奈一直沒時間嘗試。今天照著書上的介紹做了下，有了初步的結果。做一個簡單的分享。結果很粗糙，才開始做，還請有經驗的前輩給予指教。
一、總體思路
使用DM進行建模，然后分別導入ICEPAK計算出結果，有了溫度分布場之后，再導入static structural 進行溫度場的力學分析。注意各個模塊之間的關聯(lián)關系。
二、Geometry進行模型建立
1.如下圖，我以一個常規(guī)的芯片作為例子，中間是芯片核心的發(fā)熱部分。先建立如下圖的模型。
2. ICEPAK對模型有特殊要求，并不是所有DM建的模型都認，需要使用Tools->Electronics->Simplify來對模型進行適當?shù)男拚?。如上圖，需要所有模型的模塊都屬于ICEPAK可以識別的部件。
三、進入ICEPAK進行設置
1.ICEPAK會對導入的部件，自動創(chuàng)建Cabinet，根據(jù)需要，把這個Cabinet的幾個端面設置成opening或者wall等。
2. 貼一個ICEPAK常規(guī)的分析流程，這里不多介紹這個模塊了。
3.計算傳熱，顯示溫度場的分布結果
四、進入Static Mechanical模塊，進行受力計算
1.如上圖，一定按照連線的方式進行模塊間的關聯(lián)。
2.按照常規(guī)方式進行設置，因為將ICEPAK結果導入了，所以會出現(xiàn)Imported loads，導入ICEPAK計算的溫度場。
3.開始進行應力計算！顯示結果。
展開 COMSOL鋰電池技術仿真與應用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應用
在紐曼框架基礎上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴展模型的能力(應對紐曼模型描述不了的場景)
電熱耦合
電化學-熱耦合模型是基于電化學反應產熱而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體傳熱接口，主要用于模擬電池的溫度變化分布情況。鋰離子電池電化學-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內部化學反應的電化學模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個部分分工明確并相互耦合。首先，電化學模型計算出發(fā)熱功率，然后將發(fā)熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據(jù)發(fā)熱功率計算出溫升，然后將此時電池溫度傳遞給電化學模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。電化學-熱耦合模型涉及的理論方程也分為兩部分，一部分是電化學模型所用 到的電荷守恒、質量守恒以及電極動力學，另一部分是熱模型構建所用的結合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準確地反映出電池的電化學性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學-力耦合模型基于電化學插層反應而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學接口，主要用于模擬電池的內部應力變化分布情況。
展開 管道的熱固耦合計算及管道熱應力分析!
圖19 中間平面設置圖
圖20 速度云圖
圖21 壓力云圖
圖22 溫度云圖
六、穩(wěn)態(tài)熱分析
完成流體計算之后，單擊B4 進入穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，將流體區(qū)域抑制，并將固體區(qū)域生成網格，生成方法與之前類似。之后右鍵單擊Imported Load—Insert—Temperature 將流體計算的溫度場導入，在固體域溫度的接受面為固體的內表面，之前已經進行定義，直接選用即可，Cfd surface 選用計算的流固界面溫度。右鍵單擊Imported Load，單擊右鍵菜單的ImportedLoad 導入溫度。
右鍵單擊Steady-State Thermal 插入邊界條件，設置外壁面的對流換熱系數(shù)為10W/m2·℃，環(huán)境溫度為20℃。設置三個入口的端面溫度與入口流體溫度一致。在solution 中插入溫度和總的熱流量。單擊solve 進行求解。
圖23 流場溫度導入
圖24 穩(wěn)態(tài)熱力學計算結果
七、變形及熱應力分析
雙擊C5 進入靜態(tài)結構計算模塊右鍵單擊Imported Load 打開右鍵菜單后單擊ImportedLoad 導入固體域的溫度。右鍵單擊Static Structural—Insert—Fixed Support 給三個入口端面施加固定約束。
展開 螺栓失效的熱力耦合疲勞仿真分析
△圖7：實驗對比分析結果
經典案例
一、基于熱-力耦合分析的LNG低溫軟管內波紋管的疲勞性能研究
△圖8：軟管內波紋管的疲勞仿真
1、 波紋管熱-力耦合分析（輸送壓力載荷）
Goodman 公式轉換應力曲線的應力幅值：
2、 波紋管在常溫-低溫交變載荷作用下的疲勞性能
利用Basquin公式描述材料的S-N曲線，求在某一應力水平下的疲勞壽命：
3、聚焦波紋管的應力熱點區(qū)域，開展結構優(yōu)化
基于Miner線性損傷累計理論，描述LNG低溫軟管內波紋管在壓力、常溫-低溫循環(huán)載荷符合作用下的損傷量：
二、循環(huán)載荷下柔性管線接頭鎧裝鋼絲粘結損傷分析
△圖9：鎧裝鋼絲與樹脂粘結有限元模型
1、 疲勞載荷下樹脂溫度的變化
△圖10：樹脂試樣表面溫度變化
2、 疲勞載荷下樹脂彈性模量的變化
△圖11：樹脂彈性模量隨溫度變化關系
3、 樹脂在循環(huán)載荷下的損傷累積
展開 