基于ANSYS Workbench的摩擦生熱分析——耦合單元法

【問題描述】

在一個定塊上,有一個滑塊。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,并計算滑塊和定塊內(nèi)部的溫度分布和應力分布。

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;熱導率:150W/(M K);比熱:900J/(kg K)

【問題分析】

關鍵技術分析:

此問題屬于摩擦生熱,不能夠使用載荷傳遞法,而只能使用直接耦合法。這就是說,只能用一個耦合單元來計算摩擦生熱問題。

解決該問題的基本思路如下:

(1)使用瞬態(tài)結構動力學分析系統(tǒng);

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

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

(4)在求解設置中,關閉結構分析的慣性部分,而只做靜力學結構分析,但是對于熱分析仍舊做瞬態(tài)熱分析;

(5)由于使用了瞬態(tài)動力學分析,結果中默認是沒有溫度可以直接從界面中得到的。需要自定義結果,提取溫度;

(6)此問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)結構動力學分析系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)中,無法得到熱分析的部分參數(shù),所以需要先創(chuàng)建一個單獨的工程數(shù)據(jù)系統(tǒng),然后把它與瞬態(tài)結構動力學分析的工程數(shù)據(jù)單元格相關聯(lián);

(8)在DM中創(chuàng)建兩個草圖,然后根據(jù)草圖得到面物體。再對這兩個面物體進行平面應力的分析;

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

【求解過程】

1.進入ANSYS Workbench

2.創(chuàng)建瞬態(tài)結構分析系統(tǒng)

3.設置材料屬性

雙擊engineering data,加入新材料,命名為al,設置屬性如下。

4.創(chuàng)建幾何模型

雙擊geometry,進入到DM。設置長度單位是毫米。

首先創(chuàng)建兩個草圖,

其幾何圖形及尺寸如下圖

分別拉伸這兩個草圖,得到兩個面體,并設置其厚度均為1mm.

存盤,退出DM。

設置幾何單元的屬性為2D實體,表明要做平面問題的分析。

5.設置單元類型

雙擊Model,進入到Mechanical中。

(1)設置是平面應力問題。

(2)設置材料屬性。

將兩個物體的材料都設置為AL

(3)設置單元屬性。

設置這兩個物體的單元屬性,都設置為熱-結構耦合單元PLANE223.

為了做到這一點,首先對滑塊添加一個命令對象。

在窗口中輸入定義單元類型的APDL命令。

該命令對滑塊設置其單元類型是PLANE223,并確定其關鍵字是11.該關鍵字意味著此單元用作熱-結構耦合分析。

將該命令拷貝到定塊中,設置定塊也使用同樣的耦合單元。

6.設置接觸

(1)設置接觸特性

設置滑塊和定塊之間發(fā)生摩擦接觸。

并對該接觸設置如下

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

(2)設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,對于接觸單元contac172,設置其1號關鍵字是1,從ansys幫助中,可以知道該關鍵字為1的含義是,接觸單元每個節(jié)點均包含有UX,UY,TEMP三個自由度。即意味著是熱-結構耦合問題。

為了防止上述命令在ANSYS自動更新時被刪除,設置connections的屬性如下

即:更新時,請不要生成自動連接關系。

7.劃分網(wǎng)格

設置單元尺寸為0.1mm,劃分網(wǎng)格。

8.設置載荷步

首先設置兩個載荷步。

然后設置第一個載荷步的結束時間,時間步長等。

以及第二個載荷步

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毫秒時已經(jīng)移動了3.75mm,然后一直維持到0.2秒不動。

12.設置求解算法

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-----------進入到solu求解程序中;

allsel---------選擇所有的節(jié)點和單元參與計算;

tref,0---------定義熱應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-----對于結構有關的自由度UX,UY,關閉瞬態(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,確定是每個時間步均執(zhí)行上述命令流。

13.計算

14.后處理

插入總變形,等效應力。

插入自定義結果,在表達式中取出系統(tǒng)的溫度變量。

更新得到下列結果。

等效應力如下圖

可見,在滑動的過程中,滑塊的右下角點有最大的應力。而定塊的應力均勻。

最后時刻的溫度分布如下圖

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

下面是最高溫度的變化線圖

可見,在動塊剛滑移到終點時刻,溫度急劇上升到最高4.3k,然后動塊靜止。由于是絕熱邊界條件,熱向兩個物體內(nèi)部漸漸擴散,從而最高溫度漸漸降低。大概到0.05秒時,溫度就已經(jīng)均衡,熱傳導過程結束,兩個物體均處于恒溫狀態(tài)。

下面是動塊滑動過程中某一瞬間的溫度云圖。

可以看到,對于動塊而言,摩擦面溫度最高,此時正在通過熱傳導將熱量向上方傳遞。