熱-力耦合的案例
基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據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，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數、熱傳導系數是三個必要的熱力學參數。
展開 Abaqus 熱-力順序耦合與 DFLUX 詳解 ￥59.9
順序耦合（先熱后力）是工業中最穩健的路線：
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“手工建模”變成“可復用流程資產”，支撐 DOE/靈敏度/優化。
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/力學參數隨溫度變化；在力學側需最小約束消除剛體模態，并與熱網格一致以確保映射穩定。
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 （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）
在域 、時間區間 內，溫度場 滿足瞬態能量守恒（不考慮相變）：
其中 為密度， 為定壓比熱， 為導熱系數， 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， 為表面發射率， 為 Stefan–Boltzmann 常數， 為環境溫度。
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熱功率，然后將發熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據發熱功率計算出溫升，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，以此互相耦合實現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 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 
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。
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
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
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關系。
二、Geometry進行模型建立
1.如下圖，我以一個常規的芯片作為例子，中間是芯片核心的發熱部分。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來對模型進行適當的修正。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，自動創建Cabinet，根據需要，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。
2.按照常規方式進行設置，因為將ICEPAK結果導入了，所以會出現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 LS-DYNA考慮熱效應的準靜態拉伸仿真 ￥19.98
有關熱-力耦合仿真，LSTC官方網站中提供了許多相關的例子。本文以材料單軸拉伸試驗為例，說明如何在LS-DYNA中實現熱-力耦合仿真。本例K文件中去除溫度等關鍵字可實現無溫度的準靜態拉伸。
1. 工況
某合金材料以某一速率進行準靜態加載，環境溫度為500攝氏度。試樣網格如圖所示，一端固定，一端進行加載，研究溫度效應對材料的影響。
2. 求解設置
本例子，采用隱式算法，設置*INITIAL_TEMPERATURE、*LOAD_THERMAL，*CONTROL_THERMAL-等關鍵字，實現金屬材料的熱-力耦合求解
3.結果
有效應力云圖：
溫度云圖：常溫算例中，如有僅結構仿真，沒有熱傳導，使試樣中的塑性功90%轉化為溫度。500度算例中，固定端和加載段為剛體材料，不產生熱。
力-位移曲線，從圖中明顯看出溫度的軟化效應。
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?？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 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，?？怂箍倒I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！
直播報名
8月21日 14:00
▲ 掃碼參與報名
立即預定
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
?？怂箍到Y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 
一種基于熱效應下荷載-位移曲線確定FRP-鋼混凝土粘結滑移關系的新方法 ￥1.99
</p><p>（四）結果驗證與關鍵假設影響分析</p><p>圖1最后給出了反演結果的驗證與評估流程，通過與文獻中基于應變測量或有限元模型得到的 bond–slip 關系進行對比，驗證方法的準確性和穩定性，同時系統分析基底剛性假設、忽略熱應力及忽略初始熱不相容滑移等簡化條件對反演結果的影響，從而明確方法的適用范圍和工程可靠性。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202601/09b4cbc2b323999860405cba6aed93b6.png"></p><p>圖1 論文框架圖</p><p>二、原理</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202601/d1dd484b9f32f74f81649f757fcc9ca3.png"></p><p>圖2 FRP–鋼/混凝土粘結試件在熱–力耦合作用下的受力模型、幾何參數定義以及邊界條件類型</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202601/4a7b5ba82c31a9fdeeef08fab4f4a192.png"></p><p>圖3界面力學關系與反演公式示意圖（理論推導關系圖）</p><p>結合圖2與圖3可以看出，<strong>本文方法的核心機理是在熱–力耦合作用下，將加載端可測的宏觀荷載–位移響應轉化為界面局部剪應力–滑移關系</strong>。
展開 關于UDEC軟件的可選模塊
流體分析模塊可與其他模塊實現耦合計算技術，特別地，流-固耦合分析中，裂隙導水率與其變形呈函數關系變化，裂隙水壓力與介質骨架實現相互作用。總體地，UDEC可處理承壓流、瞬態流、兩相流和自由液面計算等諸如此類的流體問題。
溫度分析模塊
溫度分析模塊主要針對熱傳導/對流、及熱-力耦合問題而開發。與流體分析模塊類似，該模塊可進行獨立運算，或結合其它模塊實現耦合分析目的，如參與熱-力耦合、熱-水力耦合、甚至可結合動力分析模塊進行完全動力耦合分析。
結構單元模塊
UDEC為工程支護結構的模擬提供高端技術手段，即結構單元程模塊。模塊中的結構單元庫幾乎涵蓋了現有工程處理所采用的所有支護形式，如梁、樁、錨桿/錨索、襯砌單元等。UDEC結構單元模塊的另一重要特點在于描述結構-巖/土體相互作用機理的突出優勢，支護結構與巖/土體接觸面在切向和法向均通過耦合彈簧連接，耦合彈簧的力學特征通過彈/彈塑性本構加以定義，可模擬結構-巖/土體之間的剪切滑移和脫開行為。
本構自定義模塊
UDEC為用戶提供了特定本構模型開發接口，所支持的高級開發環境為Visual C++。
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的引入、數據輸入與輸出
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：以MATLAB、PYTHON及子程序和FORTRAN的二次開發方式為例
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 金屬增材制造數值模擬技術發展
圖3 逐層高效離散方法
力學行為求解法
對金屬增材制造過程中各層材料力學行為的準確求解是預測零件殘余應力及翹曲變形的關鍵環節，其前提是對殘余應力產生機制的認識，然后利用熱-力耦合法或固有應變法進行求解。
熱-力耦合法目前一般認為金屬增材制造零件內殘余應力主要來源于3個方面，如圖4所示。一是溫度梯度，在加熱過程中，熔池邊界處的固體材料受熱向外膨脹，而由于溫度梯度的存在，上述膨脹受到周圍較低溫度材料的限制，從而在熔池邊界處的高溫固體材料內產生壓應力，隨著熱源的移動，之前形成的熔池快速冷卻、凝固，熔池材料產生收縮并受到周圍材料的限制，產生拉應力。二是冷卻收縮，金屬增材制造的最主要特征是逐層沉積，后沉積層在冷卻過程中收縮并受到先前沉積層的約束，這導致后沉積層中產生拉應力，并在先前沉積層中產生附加壓應力，即對于逐層沉積的零件，內部為殘余壓應力，而外表面為拉應力。三是固態相變，部分金屬材料在冷卻過程中會發生固態相變，產生附加應變，使沉積零件內殘余應力發生松弛，乃至反向現象。對于金屬增材制造，每層材料的循環加熱-冷卻（熱）、各層之間的變形約束（力）是影響殘余應力的最主要因素，因此對零件進行逐層的熱-力耦合模擬是求解材料力學行為最直接的方式。該方法目前已集成于商用增材制造仿真軟件，其基本流程如下：首先，基于“超級層”和體素化分網技術，建立零件有限元網格模型；然后，采用“生死單元”技術，按照打印順序逐層激活“超級層”，同時開展瞬態熱分析，獲得各層的溫度分布及其在制造過程中的演化歷程；最后，以各層溫度作為輸入，結合高精度的材料熱彈塑性本構關系（必要時還應考慮固體相變效應），計算零件在逐層打印過程中的變形和應力。
展開 