Abaqus稳态热分析实例

ABAQUS中稳态热传导分析的实操与验证

在现代工程设计中，材料的物理性质——诸如热传导系数、比热和密度等——作为关键参数影响着系统的性能。这篇文档将详细介绍如何应用ABAQUS软件进行稳态热传导分析，以解决一个涉及复杂传热问题的实例。

实例背景与设定

问题背景源自一个具有给定尺寸的二维壳体结构。热传导系数为 52 W/m/°C，比热容为 434 J/kg/°C，密度为 7832 kg/m³。周围介质对流换热系数设定为 750 W/m²/°C，而介质温度设定为 0°C。边界条件方面，边 AB 直接加热到 100°C（固定温度），而边 DA 为绝热边（热流为 0）。边界 BC 和 CD 则与周围介质进行对流换热。

网格建模与材料参数设置




1. 几何模型构建：首先在ABAQUS中创建2D、shell类型的基本几何结构。这种选择为后续的分析计算提供了直观且计算资源优化的模型。

2. 材料参数输入：与静力分析不同，设定热传导系数是一个关键步骤。在本实例中，热传导系数被输入到“Mechanical>Conductivity”中。重要的是，对于稳态热传导分析，仅需设置热传导系数参数；倘若进行瞬态热传导分析，则还需定义比热容和密度值。

分析步与边界条件设置

1. 分析步选择：之后，构造分析步骤以适应热传热的特性。选择“General>Heat Transfer”作为分析步骤类型。默认设置设想了瞬态响应，但由于分析定为稳态，因此这里的分析步应调整为稳态响应，以反映结构在特定时间点后的热态平衡状态。

2. 时间步长设定：时间参数若设为默认值1，则仅适用于瞬态分析，并无实际物理意义。在这次稳态分析中，应维持此值保证求解的正确性。

3. 边界状态设定：使用边界条件设置确保分析步骤的准确执行。边界条件由默认的Mechanical改为其他类型边界——温度。最下方的边定义为“bottom”集，并设定该边的温度为100°C。

对流边界条件设定

针对边侧（side）和顶部（top）的边界设置对流条件。对流换热系数为750 W/m²/°C，而周围介质的温度被设为0°C。ABAQUS对这类边界条件的处理直接指示与周围环境的热交换性质。

模型网格化与单元选择

在Mesh模块中，将网格类型调整为适用于温度场分析的“Heat Transfer”类型。确认采用的单元族为DC2D4，该单元型在ABAQUS中主要用于模拟热量的传递与扩散过程。

参数验证与结果分析

完成上述设置后，提交计算任务。通过后处理，查寻计算结果。在实例中，ABaqus计算在右侧边界（由表面定义）上0.2m处的温度值为18.4151℃，与理论计算结果18.3℃相比较，其差异微小，证实了计算方法和参数设置的合理性和准确度。进一步地，通过模型网格加密后的分析结果展示了温度值接近18.29℃，这一数值反映出较高的计算精度，与理论解相匹配。