基于ABAQUS软件的热传导问题分析

齐鹏远　刘伟杰

摘 要：ABAQUS是一款功能强大的有限元分析软件，尤其在处理非线性问题上具有较大的优势。利用热传导问题的算例，介绍了ABAQUS软件热传导分析各步骤模块。通过算例中钢板和施热介质接触传热时的温度分布云图以及温度随时间变化曲线，了解了ABAQUS软件强大的分析及处理的功能。同时，为进一步利用ABAQUS软件进行非线性问题分析做好了理论上的铺垫工作。

关键词：ABAQUS 热传导 有限元分析 数值模拟

中图分类号：V231.1+3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0135-02

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析及压电介质分析[1-2]。但是ABAQUS在中国的普及程度远远不如同类CAE软件ANSYS，不仅国内翻译的中文图书较少，而且上机操作基本要按ABAQUS所提供的手册进行，尤其对于热分析领域问题的介绍就更不多见。

热分析是用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度等。ABAQUS热分析的传热方式有热传导、热对流、热辐射3种[3-4]。文章基于某钢板在加热炉中接触加热的案例对ABAQUS在热传导问题上进行分析研究。

1 ABAQUS热传导类型和关键问题

温度差是传热的基本条件。热总是由高温传向低温。根据传热过程中温度是否随时间变化，传热可分为两种热态，即稳态传热和非稳态传热。ABAQUS热传导模块与之对应也分为稳态和瞬态两种。稳态代表物体各处温度不随时间变化的传热过程；瞬态代表吸收或放出热能使温度随时间发生变化的传热过程[5]。热传导分析过程中需要考虑到很多条件及相关参数的设定，这些都是做热传导分析的关键问题[6]。

1.1 介质与物体表面间综合给热系数α

介质与物体表面间综合给热系数α是指加热或冷却介质与物体表面之间传递热量的能力。单位为W/m2·℃。其参数的设定在ABAQUS相互作用模块下接触属性中对热传导项进行定义，具体又可基于介质与物体之间的距离或压力等来进行赋值。

1.2 设定模型的初始温度场

初始温度场是ABAQUS中物体开始加热时的温度环境。可以对传热介质和受热物体同时或分别进行设置。在软件中，可以在施加载荷模块中预定义场的设定中直接给出温度值或者读入之前所做传热分析的结果文件。

2 算例

此算例基于某普碳钢板在加热炉中受两块施热介质（材质为Cr25Ni20的钢块）夹持接触时的受热过程，详细介绍ABAQUS热传导分析的基本流程。

2.1 前提条件

加热炉中环境温度为1 150 ℃，炉内放有2块施热介质，尺寸为（300×200×50）mm，此时施热介质温度已经达到炉膛内温度，即1 150 ℃。受热钢板尺寸为（300×200×1）mm，初始温度为20 ℃。模拟分析受热钢板被施热介质夹持接触30 s后钢板与施热介质的温度分布情况。

2.2 模型建立

进入Part模块，在部件管理器中分别创建施热介质和钢板模型。为后期直观表达温度场分布，此算例中采用完整的3D模型。

2.3 材料属性定义

进入Property模块，输入材料相应属性。对钢板和施热介质的材料密度、比热、传导率进行设定，其相应数据可从相关材料手册中查取。

2.4 分析步的设定

进入Step模块，初始Initial分析步已经由系统默认设定，为达到加热30 s的时间设定，可新建heat分析步，在时间长度内设定30。为了后期分析数据的方便，可在增量的设定中，采用固定的类型，最大增量步数设为150，增量步大小设为0.2。其余采用默认设定。

2.5 相互作用设定

进入Interaction模块，对施热介质与钢板之间的综合给热系数进行设定。首先进入接触属性管理器，选择基于距离的类型，定义给热系数。参考实际经验，当距离为0，即相互接触时的给热系数设定为10。之后进入相互作用管理器，进行接触面的选择并将之前设定的接触属性进行赋值。

2.6 加载设定

进入Load模块，首先对预定义场进行创建。进入预定义场管理器，在Initial分析步中，选取施热介质模型，对施热介质温度设定为1 150 ℃；选取钢板模型，对钢板温度设定为20 ℃，其余默认即可。

2.7 网格划分

进入mesh模块，对钢板部件进行定义，先设定网格控制属性，选择结构六面体单元，然后分别设置局部和全局尺寸，最后进行网格划分。之后，对施热介质分别进行网格划分，划分过程与钢板类似。

2.8 作业提交与结果分析

在Job模块中，该模型文件读取后，进行数据检查，然后点击Submit提交作业。在监控分项卡中可以实时观察模拟分析进展。当计算结束后，点击Results进入Visualization模块对结果文件进行分析。由于该模拟主要针对温度进行分析，所以在主参数中选择NT11（ABQUAS中NT11默认为温度参数），温度分布云图如图1所示。

由于施热介质对钢板不断传递热量，施热介质温度由外表面向内表面逐渐降低，内表面温度与钢板温度保持一致。对钢板进行温度分析，其温度分布云图如图2所示。可见钢板加热30 s后整体温度已经达1 100 ℃。

30 s内钢板的温度变化曲线图，如图3所示。从图中可见，钢板受到施热介质的热传导作用，从室温20 ℃开始升温，温度随时间的增加不断升高，在前2 s内钢板温度升高速度较快，迅速达到1 000℃左右，之后升温速度明显减慢，30 s后温度趋于稳定，达到1 100 ℃。

30 s内施热介质内表面的温度变化曲线，如图4所示。从图中可见，由于施热介质与钢板刚刚接触时，施热介质内表面与钢板温差较大，此时热传导现象非常明显，施热介质内表面温度从1 150℃迅速下降至980 ℃左右，之后施热介质内表面温度受厚度方向温度的传导开始逐渐升高，升高至1 100℃时逐渐趋于稳定。

3 结语

ABAQUS软件在处理非线性问题上具有明显的优势，文章利用热传导问题的算例，求解了某钢板接触受热时的温度分布以及施热介质的温度分布，通过相关的温度分布云图以及温度随时间变化曲线，可以看出ABAQUS软件具有强大的分析及处理的功能。文章作为ABAQUS软件在热传导问题上初步的探索，为进一步利用ABAQUS软件进行非线性问题分析打下了基础。

参考文献

[1] 庄茁.ABAQUS/Standard有限元软件入门[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 路明，朱凌云.基于ABAQUS汽车发动机缸体缸盖温度场分析[J].汽车工程师，2012（1）：42-44.