熱-力順序耦合仿真的案例
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(dòng)熱源 + 換熱邊界 → 得到溫度–時(shí)間歷程 T(x,y,z,t)；
映射（FROM FILE）：把熱場隨時(shí)間讀入力學(xué)模型；
力學(xué)分析（Static, nlgeom）：考慮 E(T)、σy(T)、α(T) 等 → 輸出殘余應(yīng)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(yīng)力演化，無法預(yù)測殘余場；
只做力：沒有真實(shí)的溫度歷程驅(qū)動(dòng)，熱應(yīng)變與材料退化無從談起。
工程意義：
快速評(píng)估工藝窗口（功率/焊速/熱源形參）對(duì)峰溫、HAZ、殘余應(yīng)力與翹曲的影響；
用自動(dòng)化腳本把“手工建模”變成“可復(fù)用流程資產(chǎn)”，支撐 DOE/靈敏度/優(yōu)化。
要讓結(jié)果可信，關(guān)鍵是：能量守恒、邊界換熱量級(jí)合理、材料熱物性/力學(xué)參數(shù)隨溫度變化；在力學(xué)側(cè)需最小約束消除剛體模態(tài)，并與熱網(wǎng)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(hào)：坐標(biāo) ；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(dá)
能量守恒
軌跡（恒速 ，起點(diǎn) ，起始時(shí)刻 ）
熱傳導(dǎo)控制方程（瞬態(tài)）
在域 、時(shí)間區(qū)間 內(nèi)，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(dǎo)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(duì)流 + 輻射（Robin）：
其中 為對(duì)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 鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
這是由于熱導(dǎo)致的界面應(yīng)力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會(huì)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(huì)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(shè)計(jì)電路 正常工作的關(guān)鍵參數(shù)。可以通過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(shí)，該電阻層產(chǎn)生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產(chǎn)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(jié)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 “順序耦合熱應(yīng)力分析”操作過程
順序耦合熱應(yīng)力分析：
1.先進(jìn)行單純的熱分析，就是在劃分網(wǎng)格，設(shè)置分析步時(shí)都用"heat transfer"
做出來的結(jié)果是一個(gè)熱分析結(jié)果，保存在指定位置。
2.然后對(duì)同一個(gè)集合模型在建立一個(gè)分析，也就是前面熱分析的基礎(chǔ)上，稍微改動(dòng)一下，劃分網(wǎng)格時(shí)用3D Stress，設(shè)置分析步時(shí)用Static,Geneal，最重要的是要導(dǎo)入前面熱分析的結(jié)果，這個(gè)導(dǎo)入在LOAD模塊里，打開“Edit Predefined field” 對(duì)話框，在“Distribution”:后面選擇“From results or output database file”,然后點(diǎn)擊“File name” 后面的“select”去選中你熱分析所保存的結(jié)果文件，計(jì)算運(yùn)行時(shí)，應(yīng)力分析時(shí)，軟件自己就可以去讀取熱分析的結(jié)果。
順序熱耦合.part03.rar
順序熱耦合.part01.rar
順序熱耦合.part02.rar
展開 ABAQUS之熱應(yīng)力 順序耦合分析-終章
圖6 溫度及應(yīng)力分布云圖
文章來源：ABAQUS仿真世界
COMSOL鋰電池技術(shù)仿真與應(yīng)用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應(yīng)用
在紐曼框架基礎(chǔ)上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴(kuò)展模型的能力(應(yīng)對(duì)紐曼模型描述不了的場景)
電熱耦合
電化學(xué)-熱耦合模型是基于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(xué)-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個(gè)部分分工明確并相互耦合。首先，電化學(xué)模型計(jì)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(jì)算出溫升，然后將此時(shí)電池溫度傳遞給電化學(xué)模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實(shí)現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。電化學(xué)-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(xué)模型所用 到的電荷守恒、質(zhì)量守恒以及電極動(dòng)力學(xué)，另一部分是熱模型構(gòu)建所用的結(jié)合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關(guān)系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準(zhǔn)確地反映出電池的電化學(xué)性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學(xué)-力耦合模型基于電化學(xué)插層反應(yīng)而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學(xué)接口，主要用于模擬電池的內(nèi)部應(yīng)力變化分布情況。
展開 Ansys 案例研究 | 瞬態(tài)熱力耦合分析—PCB 組件上的熱應(yīng)力生成
9.對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并運(yùn)行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)仿真，輸出應(yīng)力結(jié)果云圖，該圖顯示了應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。
總結(jié)
本次分析成功執(zhí)行了 PCB 組件的瞬態(tài)熱-順序耦合仿真。通過將瞬態(tài)熱分析得到的溫度時(shí)程作為載荷，輸入至瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，直接觀察并獲得了關(guān)鍵元器件的熱應(yīng)力隨時(shí)間變化的響應(yīng)。
仿真結(jié)果直觀展示了在功率加載或環(huán)境變化的瞬態(tài)過程中，熱應(yīng)力如何隨溫度場同步演變，清晰地揭示了應(yīng)力集中區(qū)域的動(dòng)態(tài)形成過程與峰值時(shí)刻。這為評(píng)估元件在真實(shí)波動(dòng)工況下的瞬態(tài)力學(xué)負(fù)載與潛在風(fēng)險(xiǎn)提供了直接的依據(jù)。
本次分析有效完成了從動(dòng)態(tài)熱輸入到動(dòng)態(tài)應(yīng)力輸出的因果鏈路驗(yàn)證，為后續(xù)的簡易可靠性評(píng)估與設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了核心的觀測數(shù)據(jù)。
展開 ABAQUS激光切割（熱力順序耦合DFLUX+VUSDFLD）仿真案例講解
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(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(dòng)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(duì)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(duì).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(duì)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(duì)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(gè)必要的熱力學(xué)參數(shù)。
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(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)。
Abaqus 復(fù)合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會(huì)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(huì)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(huì)下降，因此還需要對(duì)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(duì)復(fù)合材料承載力的影響。
對(duì)復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個(gè)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(huì)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(duì)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(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
展開 Abaqus 復(fù)合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會(huì)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(huì)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(huì)下降，因此還需要對(duì)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(duì)復(fù)合材料承載力的影響。
對(duì)復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個(gè)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(huì)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(duì)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(duì)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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Abaqus以制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)為例的力熱耦合分析Step by Step ￥3
Abaqus以制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)為例的力熱耦合分析-01-15.pdf
利用Workbench 的Icepak和Mechanical模塊進(jìn)行芯片力熱耦合計(jì)算
一直想進(jìn)行力熱耦合計(jì)算，無奈一直沒時(shí)間嘗試。今天照著書上的介紹做了下，有了初步的結(jié)果。做一個(gè)簡單的分享。結(jié)果很粗糙，才開始做，還請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的前輩給予指教。
一、總體思路
使用DM進(jìn)行建模，然后分別導(dǎo)入ICEPAK計(jì)算出結(jié)果，有了溫度分布場之后，再導(dǎo)入static structural 進(jìn)行溫度場的力學(xué)分析。注意各個(gè)模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
二、Geometry進(jìn)行模型建立
1.如下圖，我以一個(gè)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(duì)模型有特殊要求，并不是所有DM建的模型都認(rèn)，需要使用Tools->Electronics->Simplify來對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚Ｈ缟蠄D，需要所有模型的模塊都屬于ICEPAK可以識(shí)別的部件。
三、進(jìn)入ICEPAK進(jìn)行設(shè)置
1.ICEPAK會(huì)對(duì)導(dǎo)入的部件，自動(dòng)創(chuàng)建Cabinet，根據(jù)需要，把這個(gè)Cabinet的幾個(gè)端面設(shè)置成opening或者wall等。
2. 貼一個(gè)ICEPAK常規(guī)的分析流程，這里不多介紹這個(gè)模塊了。
3.計(jì)算傳熱，顯示溫度場的分布結(jié)果
四、進(jìn)入Static Mechanical模塊，進(jìn)行受力計(jì)算
1.如上圖，一定按照連線的方式進(jìn)行模塊間的關(guān)聯(lián)。
2.按照常規(guī)方式進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)閷CEPAK結(jié)果導(dǎo)入了，所以會(huì)出現(xiàn)Imported loads，導(dǎo)入ICEPAK計(jì)算的溫度場。
3.開始進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算！顯示結(jié)果。
展開 SimSolid熱分析及熱固耦合案例講解 衡祖仿真
⑦查看結(jié)果：位移&應(yīng)力
SimSolid中可以通過設(shè)置溫度、熱通量、體積熱和對(duì)流4種邊界條件設(shè)定熱分析場景，并且可以設(shè)定每個(gè)接觸面的傳熱屬性。在熱分析結(jié)束后，通過將前一步結(jié)果的溫度場，作為熱載荷施加到線性靜力分析當(dāng)中，可以進(jìn)行熱固耦合分析，以得到熱應(yīng)力及其位移結(jié)果。
電力變壓器的熱流耦合仿真和絕緣紙熱老化分析
如果變壓器繞組熱點(diǎn)溫升過高則可能發(fā)生局部過熱，影響變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性和服役壽命。絕緣紙作為油浸式電力變壓器的絕緣屏障，其老化產(chǎn)生的機(jī)械、絕緣等性能改變是一個(gè)不可逆過程，對(duì)其開展仿真研究對(duì)于變壓器運(yùn)行維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。
重慶大學(xué)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年積累，在高壓設(shè)備和絕緣技術(shù)方面積累了深厚的經(jīng)驗(yàn)。他們利用Simdroid對(duì)電力變壓器開展固體傳熱和流體的耦合仿真建模，模型采用二維近似簡化，在精確反映物理場景的前提下節(jié)省了計(jì)算資源，提高了計(jì)算效率和展示效果。本文展示的案例中在正常工況變壓器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了繞組間擋板，目的是研究擋板提高變壓器油橫向流動(dòng)速度從而增強(qiáng)繞組散熱的效果，并在此基礎(chǔ)上開展熱老化評(píng)估。
在Simdroid中繪制的典型油浸式電力變壓器二維模型
借助Simdroid的多物理場耦合功能，重慶大學(xué)的研究人員可以在界面上輕松完成固體傳熱有限元方法和流體方程有限體積方法的聯(lián)合仿真計(jì)算，在電力變壓器模型中實(shí)現(xiàn)對(duì)含有復(fù)雜絕緣油通道、大量流固耦合邊界的網(wǎng)格自動(dòng)優(yōu)化和高效耦合迭代。在仿真獲得的流體結(jié)果中，用戶可以通過云圖或流線圖查看流體速度的整體分布和局部細(xì)節(jié)；在溫度結(jié)果中，可以查看變壓器內(nèi)部整體溫度分布，從中了解熱點(diǎn)位置和發(fā)熱情況。
Simdroid中耦合仿真獲得的變壓器油流速分布云圖和流線圖
Simdroid耦合仿真得到流體和固體的穩(wěn)態(tài)溫度分布
電力變壓器流熱耦合仿真的結(jié)果在工程實(shí)踐中有兩個(gè)主要用途：一是通過傳感器獲得變壓器油出口和變壓器外殼等位置的實(shí)際監(jiān)測溫度，工程師可結(jié)合仿真在正常工況時(shí)實(shí)時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行情況，在非正常工況時(shí)做出預(yù)警或檢修等判斷；二是開展設(shè)備部件運(yùn)行性能參數(shù)的分析，如絕緣油和絕緣紙老化性能等。
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