基于ANSYS Workbench的摩擦生熱分析——耦合單元法

【問(wèn)題描述】

在一個(gè)定塊上,有一個(gè)滑塊。在滑塊頂頂面上施加一垂直于表面指向定塊的10MPa的分布力系?，F(xiàn)在滑塊在定塊表面上滑行3.75mm,要求摩擦而產(chǎn)生的熱量,并計(jì)算滑塊和定塊內(nèi)部的溫度分布和應(yīng)力分布。

定塊的尺寸:寬5mm,高1.25mm,厚1mm

滑塊的尺寸:寬1.25mm,高1.5mm,厚1mm

材料:彈性模量:7e10Pa;泊松比:0.3;密度:2700kg/m(3);熱膨脹系數(shù):23.86e-6/k;摩擦系數(shù):0.2;熱導(dǎo)率:150W/(M K);比熱:900J/(kg K)

【問(wèn)題分析】

關(guān)鍵技術(shù)分析:

此問(wèn)題屬于摩擦生熱,不能夠使用載荷傳遞法,而只能使用直接耦合法。這就是說(shuō),只能用一個(gè)耦合單元來(lái)計(jì)算摩擦生熱問(wèn)題。

解決該問(wèn)題的基本思路如下:

(1)使用瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng);

(2)在該系統(tǒng)中更改單元為PLANE223,它是一個(gè)耦合單元,可以完成多種耦合分析,這里使用其結(jié)構(gòu)-熱分析功能;

(3)定義兩個(gè)載荷步,第一步將動(dòng)塊移動(dòng)到指定位置,第二步保持最終位置,以獲得平衡解。

(4)在求解設(shè)置中,關(guān)閉結(jié)構(gòu)分析的慣性部分,而只做靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析,但是對(duì)于熱分析仍舊做瞬態(tài)熱分析;

(5)由于使用了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,結(jié)果中默認(rèn)是沒(méi)有溫度可以直接從界面中得到的。需要自定義結(jié)果,提取溫度;

(6)此問(wèn)題要多處使用插入命令的方式,從而可以在Workbench中使用APDL的功能;

(7)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)中,無(wú)法得到熱分析的部分參數(shù),所以需要先創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的工程數(shù)據(jù)系統(tǒng),然后把它與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的工程數(shù)據(jù)單元格相關(guān)聯(lián);

(8)在DM中創(chuàng)建兩個(gè)草圖,然后根據(jù)草圖得到面物體。再對(duì)這兩個(gè)面物體進(jìn)行平面應(yīng)力的分析;

(9)主要目的是闡述:如何在Workbench中使用耦合單元進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合分析。

【求解過(guò)程】

1.進(jìn)入ANSYS Workbench

2.創(chuàng)建瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)

3.設(shè)置材料屬性

雙擊engineering data,加入新材料,命名為al,設(shè)置屬性如下。

4.創(chuàng)建幾何模型

雙擊geometry,進(jìn)入到DM。設(shè)置長(zhǎng)度單位是毫米。

首先創(chuàng)建兩個(gè)草圖,

其幾何圖形及尺寸如下圖

分別拉伸這兩個(gè)草圖,得到兩個(gè)面體,并設(shè)置其厚度均為1mm.

存盤(pán),退出DM。

設(shè)置幾何單元的屬性為2D實(shí)體,表明要做平面問(wèn)題的分析。

5.設(shè)置單元類型

雙擊Model,進(jìn)入到Mechanical中。

(1)設(shè)置是平面應(yīng)力問(wèn)題。

(2)設(shè)置材料屬性。

將兩個(gè)物體的材料都設(shè)置為AL

(3)設(shè)置單元屬性。

設(shè)置這兩個(gè)物體的單元屬性,都設(shè)置為熱-結(jié)構(gòu)耦合單元PLANE223.

為了做到這一點(diǎn),首先對(duì)滑塊添加一個(gè)命令對(duì)象。

在窗口中輸入定義單元類型的APDL命令。

該命令對(duì)滑塊設(shè)置其單元類型是PLANE223,并確定其關(guān)鍵字是11.該關(guān)鍵字意味著此單元用作熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。

將該命令拷貝到定塊中,設(shè)置定塊也使用同樣的耦合單元。

6.設(shè)置接觸

(1)設(shè)置接觸特性

設(shè)置滑塊和定塊之間發(fā)生摩擦接觸。

并對(duì)該接觸設(shè)置如下

即設(shè)置為摩擦系數(shù)是0.2的有摩擦接觸,非對(duì)稱接觸,使用增強(qiáng)的拉格朗日算法,每次迭代均更新接觸剛度。

(2)設(shè)置接觸單元包含位移和溫度自由度

在該接觸下面添加APDL命令。

在出現(xiàn)的文件窗口中輸入下列命令

其含義是,對(duì)于接觸單元contac172,設(shè)置其1號(hào)關(guān)鍵字是1,從ansys幫助中,可以知道該關(guān)鍵字為1的含義是,接觸單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含有UX,UY,TEMP三個(gè)自由度。即意味著是熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題。

為了防止上述命令在ANSYS自動(dòng)更新時(shí)被刪除,設(shè)置connections的屬性如下

即:更新時(shí),請(qǐng)不要生成自動(dòng)連接關(guān)系。

7.劃分網(wǎng)格

設(shè)置單元尺寸為0.1mm,劃分網(wǎng)格。

8.設(shè)置載荷步

首先設(shè)置兩個(gè)載荷步。

然后設(shè)置第一個(gè)載荷步的結(jié)束時(shí)間,時(shí)間步長(zhǎng)等。

以及第二個(gè)載荷步

9.固定定塊

定塊的位移全固定。

10.施加壓力

在滑塊的上邊線上施加豎直向下的均布載荷10MPa.

11.施加位移

給滑塊的右側(cè)邊施加位移。

其X方向位移如下表。即在3.75毫秒時(shí)已經(jīng)移動(dòng)了3.75mm,然后一直維持到0.2秒不動(dòng)。

12.設(shè)置求解算法

首先在transient下插入命令

然后在出現(xiàn)的文本窗口中輸入如下命令流

其含義如下

/solu-----------進(jìn)入到solu求解程序中;

allsel---------選擇所有的節(jié)點(diǎn)和單元參與計(jì)算;

tref,0---------定義熱應(yīng)變分析的參考溫度是0;

trnopt,full-----定義瞬態(tài)分析的算法:完全法;

timint,off,struc-----對(duì)于結(jié)構(gòu)有關(guān)的自由度UX,UY,關(guān)閉瞬態(tài)效果(即不考慮質(zhì)量或者慣性作用),這樣只是做瞬態(tài)熱分析。

tintp,,,,1.0-----定義瞬態(tài)熱分析的積分參數(shù)。這里定義了一階瞬態(tài)熱分析的積分參數(shù)是1.0.

另外,確定是每個(gè)時(shí)間步均執(zhí)行上述命令流。

13.計(jì)算

14.后處理

插入總變形,等效應(yīng)力。

插入自定義結(jié)果,在表達(dá)式中取出系統(tǒng)的溫度變量。

更新得到下列結(jié)果。

等效應(yīng)力如下圖

可見(jiàn),在滑動(dòng)的過(guò)程中,滑塊的右下角點(diǎn)有最大的應(yīng)力。而定塊的應(yīng)力均勻。

最后時(shí)刻的溫度分布如下圖

可見(jiàn),由于使用了默認(rèn)的絕熱邊界條件,動(dòng)塊和定塊的溫度均趨于均勻。而且,定塊和動(dòng)塊之間,由于默認(rèn)的熱阻是無(wú)限大,所以,雖然二者有溫度差,但是在兩個(gè)物塊之間并沒(méi)有熱傳遞行為發(fā)生。這與實(shí)際情況顯然是有區(qū)別的?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置接觸面之間的熱導(dǎo)率來(lái)更加逼真地模擬此情況。

下面是最高溫度的變化線圖

可見(jiàn),在動(dòng)塊剛滑移到終點(diǎn)時(shí)刻,溫度急劇上升到最高4.3k,然后動(dòng)塊靜止。由于是絕熱邊界條件,熱向兩個(gè)物體內(nèi)部漸漸擴(kuò)散,從而最高溫度漸漸降低。大概到0.05秒時(shí),溫度就已經(jīng)均衡,熱傳導(dǎo)過(guò)程結(jié)束,兩個(gè)物體均處于恒溫狀態(tài)。

下面是動(dòng)塊滑動(dòng)過(guò)程中某一瞬間的溫度云圖。

可以看到,對(duì)于動(dòng)塊而言,摩擦面溫度最高,此時(shí)正在通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量向上方傳遞。