材料熱分析的案例
直播預告 | MSC Nastran復合材料熱分析及熱機耦合分析
精彩直播預告
復合材料憑借輕質、高強度、優異的抗疲勞性能和復雜外形成型能力，在航空航天、汽車等工業領域應用廣泛。然而，其各向異性特性在高溫環境（如氣動加熱、發動機熱載荷、太空極端溫度循環）下帶來嚴峻挑戰：熱膨脹不協調、熱應力集中、層間失效風險陡增。
傳統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，海克斯康工業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海克斯康結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的熱應力與熱變形
? 性能與失效評估：識別熱環境下的潛在高風險區域
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 耐火材料熱應力分析中的材料本構模型研究
熱應力是耐火材料破壞的主要原因之一。材料的本構關系是有限元模擬準確性的決定因素。論述了各種用于耐火材料的本構模型，比較了各自的優缺點和適用范圍，闡明了建立統一的耐火材料本構模型的困難，提出了一種利用細觀力學方法解決該問題的新思路
耐火材料熱應力分析中的材料本構模型研究.pdf
耐火材料熱應力分析中的材料本構模型研究
熱應力是耐火材料破壞的主要原因之一。材料的本構關系是有限元模擬準確性的決定因素。論述了各種用于耐火材料的本構模型，比較了各自的優缺點和適用范圍，闡明了建立統一的耐火材料本構模型的困難，提出了一種利用細觀力學方法解決該問題的新思路
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Moldex3D模流分析之熱固性材料與熱塑性材料的區別
熱固性材料
熱固性材料與熱塑性材料最大的區別是在熱環境之下的固化現象，熱固性材料在受熱后無法再加工。也因此成型期間的融膠流動也隨之改變。材料供貨商總希望優化其設計，并在黏度及固化程度間找到適當的平衡點，這對可加工性以及產品周期有著相當大的影響。針對熱固材料，Moldex3D透過分析塑料流動的行為(包含黏度變化及固化時間)，提供材料供貨商更高效率的解決方案來優化其配方并節約成本。此外，透過材料的特征來量化如固化所引發的體積收縮，并且此技術可以應用在改變化學制劑、仿真、產品設計以及各種成型條件上。
展開 
鎂合金材料熱處理的質量檢測及缺陷分析
鎂合金材料熱處理質量的檢測
（1）硬度試驗
硬度試驗具有速度快、操作簡單、可以在熱處理工件上直接進行而無需專門制備試樣等優點。其中最常用的是布氏和洛氏硬度試驗，但是對于薄截面鎂合金工件，有時也采用洛氏表面硬度試驗。晶粒較大、硬度較低的鎂合金宜采用布氏硬度計測定硬度，以獲得最佳試驗結果。鎂合金的強度通常隨硬度的增加而提高，然而由于與硬度對應的強度指標很分散，因此不能用硬度計算強度，所測得的硬度值僅僅作為評定鎂合金熱處理質量的參考。
（2）拉伸試驗
拉伸試驗能更準確地衡量鎂合金的熱處理質量，但是試驗時需要專門拉伸試樣。雖然鎂合金鑄件經過機加工后得到的試樣更能代表鑄件的真實性能，但是一般采用單獨鑄造后不經機加工的試樣。通常按照ASTM標準進行試驗，以保證試驗結果的一致性。
（3）顯微組織檢查
熱處理態鎂合金制成金相試樣后檢查顯微組織，并與標準的組織照片比較，可以衡量鎂合金的熱處理質量。檢查內容主要包括：鑄造合金中的粗大化合物、鑄造合金經過不適當固溶處理后的孔隙和熔孔、鑄造和變形合金的晶粒度，以及擠壓、鍛造或軋制合金中的粗大化合物。
顯示鎂合金金相顯微組織所用的浸蝕劑見下表。
鎂合金材料熱處理缺陷分析
鎂合金熱處理時容易產生的五種常見缺陷是：氧化、過燒、彎曲與變形、晶粒異常長大和性能不均勻。
（1）氧化
如果鎂合金工件進行熱處理時沒有使用保護氣體，則會發生局部氧化甚至在爐火內起火燃燒。通常向熱處理爐內通入（0.5~1.5）Vol.%SO2或（3~5）Vol.%CO2，或含（0.5~1.5）Vol.%SF6的CO2保護氣體，或惰性氣體來避免鎂合金工件的氧化。惰性氣體由于成本過高而較少應用。此外，需要保證爐膛的清潔、干燥和密封。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之熱塑材料黏度模型
本章主要是介紹Moldex3D 的基本理論，包含有：
•材料的模型
•基本理論及原理，包括充填、保壓、冷卻、翹曲、纖維、反應型材料及氣體輔助射出等各項模塊。
• 材料模型 (Material Models)
材料的模型是用來顯示高分子或塑料材料在許多不同的狀況下所顯示的特性，有了這些模型，Moldex3D便能夠依程序變化過程加以計算其動態變化情形。一般而言，塑料材料共分兩種，其一為熱塑性，另一種則為熱固性。對熱塑性材料而言，我們必須了解其黏度、壓力-比容-溫度特性 (在不同壓力及溫度下的比容)、熱傳導性、比熱及機械性質。至于熱固性材料，則需知道其在上述這些基本性質中的反應特性。為進一步說明此等特性，我們將探討熱塑性材料；并討論熱固性材料。另外，Moldex3D可供使用者自行輸入所需的參數，因此，用戶必須小心注意單位換算以避免產生分析上的問題。下表為在Moldex3D中常用的單位換算表。
注：Moldex3D 允許使用者自行輸入材料參數，用戶必須小心注意單位換算以避免產生分析上的問題。
1. 熱塑材料黏度模型(Viscosity Model for Thermoplastic)
黏度為流體本質上想抵抗流動的指數。通常小分子之簡易流體 (Simple fluids)，如水、油等，其黏度在常溫下通常為一個常數值，這些流體被通稱為牛頓流體。然而，對熱塑性塑料材料而言，它們的黏度特性非常復雜且常呈現非線性。不若簡易流體，熱塑性材料的黏度性質取決于其化學結構、成分及制造條件。若對一給定化學結構及方程式的熱塑性材料而言，其黏度特性則和溫度、剪應變速率及壓力有較大關系。為了解熱塑性材料的黏度特性，我們需要另外定義剪應力、剪應變速率及黏度之關系。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之熱固材料黏度模型(化學流變模型)
熱固材料黏度模型(化學流變模型) (Viscosity Model for Thermosets - (Chemorheology Model))
以下數據僅可使用于Moldex3D-RIM。不使用此模塊的用戶可以跳過此部份。
當鏈結作用發生時，熱固性材料的分子量會越來越大。因此，黏度也會相對的增加。當我們加熱一個熱固性材料時可以觀察到一個典型的U型曲線。剛開始時會因為熱固性材料本身的熱膨脹而使黏度下降，到達低限值之后，黏度會因為分子網狀結構的建立而迅速的劇烈上升。RIM分析主要采用以下的模型：
熱塑性材料的特性
牛頓流體
此模型是假設黏度為一常數，而完全不考慮鏈結作用產生的黏度變化。通常此模型是當用戶需要快速分析網格模型時才建議使用。
Castro Macosko 模型
此模型假設黏度只和溫度及熟化程度兩者有關。
黏度和熟化程度的關系可以用三個參數來描述。與膠化點有關，當反應到達該點時，材料的黏度會劇烈的上升，與溫度的相關性則是呈指數型，但跟剪應變速率無關。
Power-law Castro Macosko 模型
此模型是 Castro Macosko模型的延伸，與有power-law(冪指數)形式剪應變速率的關系。
其中n 是由熟化程度(參數c0~c2)控制的冪指數；a0~a2 是考慮熟化對粘度影響的擬合參數；b0~b2 則是在熟化影響上再加上溫度影響的擬合參數。
展開 熱應力耦合分析材料
間接法熱應力耦合分析練習.rar
耦合場分析_熱應力.rar
基于comsol的復合材料熱變形仿真分析 ￥2890
</p><p><br></p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201908/975a93ce59b74762879c9618aad88727.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">復合材料變形.rar</a></p><p>本模型分析了一款V型的雙層復合材料熱變形過程，雙層復合材料力學熱學性能不同，在一定的溫度作用下產生張角變形。 通過研究不同溫度，不同V型初始角度等情況下的變形，找到符合需求的邊界條件和幾何模型，指導實驗。</p><p> 本模型采用了固體傳熱、固體力學和微分代數方程。</p><p><br></p><p>復材固化的溫度邊界條件 。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之比熱模型
比熱的定義為將一單位質量的材料升高一度所需的熱量。若忽略材料升溫時可能伴隨著的化學或物理相變，材料的內能因為比熱的關系而與材料溫度有關。
常數模型
此模型將定壓下的比熱假定為一常數，通常是一個良好的近似。
Cp=Cp0
其中Cp代表比熱，而Cp0則代表其初始給定值。Moldex3D/Shell-RIM及Moldex3D/Solid-RIM主要采用此模型。
CAE Cp 模型(1)
比照熱傳導系數，線性內插法也是常用來對比熱與溫度相關性做良好近似法。 Moldex3D 軟件中采用了 CAE Cp 模型(1)。給定熱傳導系數CPL及CPS，在兩個不同的溫度TL及TS 下，我們可得到如下的線性關系式：
CAE Cp 模型(2)
此模型為另一種修正Cp 采三段式線性內插法，目前Moldex3D也有支持，此處Cp 可以用四個不同的值來進行內插近似。一般來說，這四個值的其中兩個CPS1 及 CPS2 取自固態的Cp 值，另外兩個值CPL1 及 CPL則來自液態之Cp 值。
三段式比熱模型之示意圖
If TS1 < T < TS2
If TS2 ≤ T < TL1
If TL1 < T < TL2
多段數據表征模型
此模型可供用戶針對該材料輸入20點不同溫度下的比熱數據，因為此模型可讓用戶彈性的調配以便準確的描述比熱在大范圍溫度區間下的變化。至于在兩給定溫度之區間的比熱，則采用標準之線性內插近似法。
熱容的概略圖如前，以K取代 Cp。
展開 『分享』熱分析中材料屬性改變的問題
我做的課題需要在加載前后有材料屬性的變化，感覺這也是很重要的一個方面，所以和大家分享一些相關資料
移動熱源分析中材料屬性變化.doc
ANSYS在荷載步之間改變材料屬性.doc
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，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。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。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，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 基于ANSYS Workbench的噴管熱應力分析
通過對噴管熱應力的分析，首先進行流固耦合分析，得到噴管整體結構的溫度場分析，看到噴管的溫度場在轉動板稍微向上的外殼附近存在著明顯的溫度梯度，熱應力的產生來源一種是結構中存在著明顯的溫度梯度，另外就是在結構約束的地方存在熱應力。一般而言，溫度梯度越大，約束越強，結構的熱應力值則越大，按照線彈性理論分析，則會出現有些結構部件會失效的情況，然而這與實際情況不符合，因此需要對噴管結構的熱應力分析進行彈塑性本構材料的熱應力分析，彈塑性材料的熱應力分析結果表明，噴管在溫度梯度大的地方，以及在溫度梯度較大并存在約束的地方的等效熱應力值超過了材料的屈服極限，但是小于材料的抗拉強度，說明噴管結構局部進入塑性變形區，結構并沒有發生破壞。并且分三種模型分別考慮溫度場和考慮溫度場及氣動載荷共同作用下的仿真，仿真結果表明，導流板的下移之后，噴管結構的溫度場有一定的下降，并且考慮彈塑性熱應力仿真分析表明，隨著溫度場的下降，結構的彈性等效應力下降。在原始模型和下降2mm的模型仿真后噴管在氣動載荷和溫度載荷作用下結構的最大位移出現在導流板上，而導流板下降4mm后的仿真表明，結構的最大位移還是受溫度場的影響明顯，出現在噴管外側板的頂端，導流板處的位移變形也較明顯，最大為8.5mm。由于噴管局部進行塑性區域，就需要考慮多次工作情況下，結構的疲勞壽命分析。或者對噴管承受熱應力較大的區域，設置熱防護層或者其他措施，以降低該區域的溫度梯度，從而實現提高噴管運行時可靠性設計的要求。
展開 看熱機械分析量測技術如何揭開高分子材料的神秘面紗！
■型創科技 / 劉文斌 技術總監
技術簡介
熱機械分析 (Thermomechanical Analysis, TMA) 量測技術可以用來分析材料的物理特性隨著溫度的變化而如何變動。除了可以量測材料樣品的膨脹 (expansion)和張力 (tension) 的變化外，熱機械分析儀還能夠進行穿透 (penetration)、固定荷載速率 (constant rate loading) 和固定拉伸速率 (constant rate elongation)等測試條件的測量分析。當施加的荷載以固定速率變化時，可量測樣品所對應的伸長率變化。而固定拉伸速率量測時是保持樣品的固定伸長率下量測所需的荷載或作用力的變化情況。本技術文稿將介紹穿透與固定拉伸速率的量測分析范例。
圖 1：左為日本島津公司 TMA 量測儀器的外觀；右為 TMA 儀器的量測模式
PMMA 軟 化 溫 度 的 測 量
（ 穿 透 模式 -Penetration Mode）
穿透測量模式主要用于確定塑料材料的軟化溫度或熱變形溫度。軟化溫度可作為評估材料在應用場合時的耐熱性能指標。TMA 的穿透測試模式是利用一支直徑為 0.5mm 的探針，在荷載重量設定為 50g，以施加在樣品表面上的壓力約為 25.5kg/cm2 的測試條件進行穿透模式測試。
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，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。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。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，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相關的問題可以聯系扣扣1653004885
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