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ABAQUS传热分析与实践入门

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传热问题基本概念

宏观的热能的传递有以下几种基本形式：

热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递。热传导遵循傅立叶定率， $\Phi = -\lambda A\Delta T$ \Phi = -\lambda A\Delta T ；其中 $\Phi$ \Phi 为热流量（单位： W）， $\lambda$ \lambda为导热系数（单位：W/(m·K））， $A$ A 为面积， $T$ T 为温度。
热对流：流体流动导致的热量交换。对流传热遵循牛顿冷却公式， $\Phi = h A\Delta T$ \Phi = h A\Delta T；其中 $h$ h 为对流换热系数（单位：W/(㎡·K））。
热辐射：通过电磁波辐射产生热量交换，理论上只要物体的温度高于绝对零度，物体就会不断的把热能变为辐射能，向外发出热辐射。热辐射遵循 Stefan-Boltzmann 定律（四次方定律）， $\Phi = \varepsilon\sigma AT^4$ \Phi = \varepsilon\sigma AT^4；其中 $\varepsilon$ \varepsilon 为物体的发射率(黑度，其值总小于1)， $\sigma$ \sigma 为 Stefan-Boltzmann 常量，其值为 $5.67\times 10^{-8}W/(m^2·K^4)$ 5.67\times 10^{-8}W/(m^2·K^4) 。
相变：物质改变状态时会释放或吸收热量。主要形式有：冷凝-蒸发、沸腾-升华、熔化-凝固等，需要通过多相模型来模拟。

传热问题的三大类边界条件

第一类边界条件，规定了边界上的温度值，也称为 Dirichlet 条件。
第二类边界条件，规定了边界上的热流密度值，也称为 Neumann 条件。
第三类边界条件，规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度，也称为 Robin 条件。

ABAQUS 传热分析

ABAQUS主要是有限元法用来进行应力分析的软件，其热传导求解能力是从求解热应力问题中发展出来的。ABAQUS可以完成稳态热分析和瞬态热分析，允许在接触面有热流动（节点导热），可以考虑潜热项（相变）、强制对流（给定换热系数值）、热应力耦合分析功能、热传导壳单元（fluent中应避免壳单元）、空腔辐射等功能。但 ABAQUS 不是专业热传导分析软件，不能做流体分析、自由对流换热、逆传热分析，对热冲击问题不能做自适应网格划分等。

ABAQUS 传热分析种类（此处不含电学分析）

类型	描述
非耦合传热分析 Uncoupled heat transfer analysis	包括传导、强制对流和边界辐射的传热问题可以在Abaqus/Standard中进行分析。这些分析中，温度场是在不知道所研究物体的应力/变形状态或电场的情况下计算的。Heat Transfer问题可以是瞬态的或稳态的，也可以是线性的或非线性的。
顺序耦合热应力分析 Sequentially coupled thermal-stress analysis	如果应力/位移解依赖于温度场，但没有反向依赖性，则可以在Abaqus/Standard中进行顺序耦合热-应力分析。通过首先求解热传导问题，然后读取温度场到预定义场进行应力分析。在应力分析中，温度随时间和位置变化，但不受应力分析解的影响。Abaqus允许在传热分析模型和热应力分析模型之间存在不同的网格。
完全耦合热应力分析 Fully coupled thermal-stress analysis	采用温度-位移耦合方法同时求解应力/位移场和温度场。当热解和力学解相互影响较大时，采用耦合分析的方法。例如，在快速金属加工问题中，材料的非弹性变形会引起放热。在Abaqus/ standard中，传热方程采用后向差分格式积分，耦合系统采用牛顿法求解。这些问题可以是瞬态的或稳态的，也可以是线性的或非线性的。在Abaqus/ explicit中，采用显式前向差分积分规则对传热方程进行积分，并采用显式中心差分积分规则获得应力响应。explicit 分析总是瞬态的。腔辐射效应不能包括在全耦合热应力分析中。
空腔辐射 Cavity radiation	在Abaqus/ standard中，非耦合传热问题中可以包括空腔辐射效应。空腔可以是封闭的或者开放的，腔内反射和吸收可以模拟。反射因子是自动计算的，在分析过程中可以规定物体包围空腔的运动。空腔辐射问题是非线性的，可以是瞬态的也可以是稳态的。
绝热分析 Adiabatic analysis	绝热力学分析可以用于这样的情况:机械变形引起加热，但是时间很短，热传导不明显。所有的温度增加是在材料局部发生的，并且只影响局部材料点的机械属性。绝热分析可以用Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit进行，可以是静态的或动态的，也可以是线性的或非线性的。