热力学耦合分析
1. 热力学耦合分析概述
热力学耦合分析是指在材料力学仿真过程中，考虑材料的温度变化对力学性能的影响。这种耦合分析在许多工程应用中非常关键，特别是在涉及高温、热处理、热应力等问题时。Calculix 作为一个开源的有限元分析软件，提供了强大的功能来处理热力学耦合问题。
2. 热力学耦合分析的基本步骤
热力学耦合分析的基本步骤包括以下几个部分：
-
定义热源：在模型中定义热源的位置、强度和时间依赖性。
-
设置材料属性：为材料定义温度依赖的弹性模量、热膨胀系数等属性。
-
施加边界条件：定义温度边界条件和机械边界条件。
-
进行热分析：首先进行热传导分析，计算温度场。
-
进行力学分析：基于温度场结果，进行力学分析，计算应力和应变。
-
耦合分析：将热分析和力学分析的结果结合起来，进行耦合分析。
3. 定义热源
在 Calculix 中，热源可以通过 *CFLUX、*DFLUX 和 *FILM 等关键字来定义。以下是这些关键字的详细说明和示例：
3.1 使用 *CFLUX 定义集中热流
*CFLUX 关键字用于在特定节点上施加集中热流。热流的单位是瓦特（W）。
*CFLUX
NSET,FLUX
-
NSET：节点集合的名称。
-
FLUX：施加在节点上的热流强度。
示例：
假设我们要在节点集合 NSET1 上施加 100 W 的集中热流：
*CFLUX
NSET1,100
3.2 使用 *DFLUX 定义分布热流
*DFLUX 关键字用于在特定区域上施加分布热流。分布热流可以是均匀的，也可以是温度或时间的函数。
*DFLUX
SURFACE,FLUX
-
SURFACE：表面集合的名称。
-
FLUX：施加在表面上的热流强度。
示例：
假设我们要在表面集合 SURF1 上施加 100 W/m² 的均匀热流：
*DFLUX
SURF1,100
3.3 使用 *FILM 定义对流换热
*FILM 关键字用于定义对流换热条件。对流换热系数和环境温度是必需的参数。
*FILM
SURFACE,COEFFICIENT,TEMPERATURE
-
SURFACE：表面集合的名称。
-
COEFFICIENT：对流换热系数，单位是 W/m²·K。
-
TEMPERATURE：环境温度，单位是 K。
示例：
假设我们要在表面集合 SURF2 上施加对流换热条件，对流换热系数为 50 W/m²·K，环境温度为 300 K：
*FILM
SURF2,50,300
4. 设置材料属性
在进行热力学耦合分析时，材料属性通常是温度依赖的。以下是一些常见的温度依赖材料属性及其设置方法：
4.1 温度依赖的弹性模量
*ELASTIC 关键字可以用来定义弹性模量。如果弹性模量是温度的函数，可以使用 *ELASTIC, TYPE=TABLE 关键字。
*ELASTIC, TYPE=TABLE
TEMPERATURE, MODULUS, POISSON
-
TEMPERATURE：温度。
-
MODULUS：弹性模量。
-
POISSON：泊松比。
示例：
假设材料的弹性模量和泊松比随温度变化如下：
| 温度 (K) | 弹性模量 (GPa) | 泊松比 |
|----------|-----------------|---------|
| 300 | 200 | 0.3 |
| 400 | 180 | 0.3 |
| 500 | 160 | 0.3 |
*ELASTIC, TYPE=TABLE
300,200000,0.3
400,180000,0.3
500,160000,0.3
4.2 温度依赖的热膨胀系数
*EXPANSION 关键字可以用来定义热膨胀系数。如果热膨胀系数是温度的函数，可以使用 *EXPANSION, TYPE=TABLE 关键字。
*EXPANSION, TYPE=TABLE
TEMPERATURE, COEFFICIENT
-
TEMPERATURE：温度。
-
COEFFICIENT：热膨胀系数。
示例：
假设材料的热膨胀系数随温度变化如下：
| 温度 (K) | 热膨胀系数 (1/K) |
|----------|------------------|
| 300 | 1.2e-5 |
| 400 | 1.5e-5 |
| 500 | 1.8e-5 |
*EXPANSION, TYPE=TABLE
300,1.2e-5
400,1.5e-5
500,1.8e-5
5. 施加边界条件
在 Calculix 中，可以使用 *BOUNDARY 关键字来施加温度和位移边界条件。
5.1 温度边界条件
*BOUNDARY
NSET,TEMPERATURE
-
NSET：节点集合的名称。
-
TEMPERATURE：施加的温度值。
示例：
假设我们要在节点集合 NSET1 上施加 300 K 的温度：
*BOUNDARY
NSET1,300
5.2 位移边界条件
*BOUNDARY
NSET,DOF,VALUE
-
NSET：节点集合的名称。
-
DOF：自由度（1：x方向，2：y方向，3：z方向）。
-
VALUE：施加的位移值。
示例：
假设我们要在节点集合 NSET2 上固定 x 方向的位移：
*BOUNDARY
NSET2,1,0
6. 进行热分析
在 Calculix 中，热分析可以通过 *STEP, HEAT TRANSFER 关键字来定义。以下是一个完整的热分析步骤示例：
*STEP, HEAT TRANSFER
*HEAT FLUX
SURF1,100
*FILM
SURF2,50,300
*BOUNDARY
NSET1,300
*NODE FILE
TEMP, HFL
*END STEP
-
*HEAT FLUX：定义施加在表面集合
SURF1上的热流。 -
*FILM：定义施加在表面集合
SURF2上的对流换热条件。 -
*BOUNDARY：定义施加在节点集合
NSET1上的温度边界条件。 -
*NODE FILE：定义输出节点的温度和热流。
7. 进行力学分析
在热分析完成后，可以进行力学分析。力学分析可以通过 *STEP, STATIC 关键字来定义。以下是一个完整的力学分析步骤示例：
*STEP, STATIC
*BOUNDARY
NSET2,1,0
*ELASTIC, TYPE=TABLE
300,200000,0.3
400,180000,0.3
500,160000,0.3
*EXPANSION, TYPE=TABLE
300,1.2e-5
400,1.5e-5
500,1.8e-5
*NODE FILE
U, S, E
*END STEP
-
*BOUNDARY：定义施加在节点集合
NSET2上的位移边界条件。 -
*ELASTIC, TYPE=TABLE：定义温度依赖的弹性模量。
-
*EXPANSION, TYPE=TABLE：定义温度依赖的热膨胀系数。
-
*NODE FILE：定义输出节点的位移、应力和应变。
8. 耦合分析
耦合分析是指将热分析和力学分析的结果结合起来，进行综合分析。在 Calculix 中，可以通过 *COUPLING 关键字来实现耦合分析。
8.1 使用 *COUPLING 关键字
*COUPLING, TYPE=TEMPERATURE, TSTEP=热分析时间步, TINC=热分析时间增量
*STEP, STATIC
*BOUNDARY
NSET2,1,0
*NODE FILE
U, S, E
*END STEP
-
TYPE=TEMPERATURE：指定耦合类型为温度。
-
TSTEP=热分析时间步：指定热分析的时间步。
-
TINC=热分析时间增量：指定热分析的时间增量。
示例：
假设我们在热分析中使用了 10 个时间步，每个时间步的增量为 1 秒，进行耦合分析：
*COUPLING, TYPE=TEMPERATURE, TSTEP=10, TINC=1
*STEP, STATIC
*BOUNDARY
NSET2,1,0
*NODE FILE
U, S, E
*END STEP
9. 结果输出和后处理
在完成耦合分析后，可以通过 *NODE FILE 和 *EL FILE 关键字来输出节点和单元的结果。结果文件可以使用 CalculiX 的后处理工具 CCX 2DPlot 或者第三方工具如 ParaView 进行后处理。
9.1 输出节点结果
*NODE FILE
TEMP, U, S, E, HFL
-
TEMP：温度。
-
U：位移。
-
S：应力。
-
E：应变。
-
HFL：热流。
9.2 输出单元结果
*EL FILE
S, E, TEMP
-
S：应力。
-
E：应变。
-
TEMP：温度。
10. 实例分析
为了更好地理解热力学耦合分析的过程，我们通过一个具体的实例来进行分析。假设有一个简单的梁模型，需要进行热应力分析。
10.1 模型定义
首先，定义梁的几何和网格：
*NODE
1,0.0,0.0,0.0
2,1.0,0.0,0.0
3,0.0,1.0,0.0
4,1.0,1.0,0.0
*ELEMENT, TYPE=S4
1,1,2,4,3
*ELSET, ELSET=ELSET1
1
*NSET, NSET=NSET1
1,3
*NSET, NSET=NSET2
2,4
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, SURF=热流面
ELSET1,1
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, SURF=对流面
ELSET1,2
-
*NODE：定义节点。
-
*ELEMENT, TYPE=S4：定义四边形单元。
-
*ELSET, ELSET=ELSET1：定义单元集合。
-
*NSET, NSET=NSET1：定义节点集合
NSET1。 -
*NSET, NSET=NSET2：定义节点集合
NSET2。 -
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, SURF=热流面：定义热流面。
-
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, SURF=对流面：定义对流面。
10.2 材料属性
定义温度依赖的材料属性：
*ELASTIC, TYPE=TABLE
300,200000,0.3
400,180000,0.3
500,160000,0.3
*EXPANSION, TYPE=TABLE
300,1.2e-5
400,1.5e-5
500,1.8e-5
10.3 热分析步骤
进行热分析：
*STEP, HEAT TRANSFER
*HEAT FLUX
热流面,100
*FILM
对流面,50,300
*BOUNDARY
NSET1,300
*NODE FILE
TEMP, HFL
*EL FILE
TEMP
*END STEP
10.4 力学分析步骤
进行力学分析：
*STEP, STATIC
*BOUNDARY
NSET2,1,0
*COUPLING, TYPE=TEMPERATURE, TSTEP=10, TINC=1
*NODE FILE
U, S, E
*EL FILE
S, E, TEMP
*END STEP
11. 运行仿真
将上述所有步骤整合成一个完整的输入文件，保存为 beam.inp。然后使用 Calculix 命令行工具运行仿真：
ccx 2.15 beam
12. 后处理
使用 CCX 2DPlot 或 ParaView 进行后处理，查看温度场、位移、应力和应变的结果。
12.1 使用 CCX 2DPlot
ccx_2dplot beam
12.2 使用 ParaView
-
打开 ParaView。
-
选择
File->Open，打开beam.frd文件。 -
选择
Apply，查看结果。
13. 结果分析
通过后处理工具，可以查看梁在不同温度下的位移、应力和应变分布。这些结果可以帮助我们更好地理解热应力对梁的影响，从而进行优化设计。
14. 常见问题及解决方法
14.1 模型收敛问题
热力学耦合分析中常见的问题之一是模型不收敛。可以通过以下方法来解决：
-
增加时间步：减少每个时间步的增量，增加时间步的数量。
-
提高网格密度：增加模型的网格密度，提高计算精度。
-
检查材料属性：确保材料属性的定义正确，特别是在温度变化较大的情况下。
14.2 热流边界条件问题
如果热流边界条件设置不当，可能导致温度场不准确。可以通过以下方法来检查和调整：
-
验证热流方向：确保热流方向与模型的几何方向一致。
-
检查热流强度：确保热流强度的单位正确，并且与实际情况相符。
14.3 对流换热条件问题
对流换热条件的设置不当也可能导致温度场不准确。可以通过以下方法来检查和调整：
-
验证对流换热系数：确保对流换热系数的单位正确，并且与实际情况相符。
-
检查环境温度：确保环境温度的设置合理，特别是在多环境条件下。
15. 进阶应用
15.1 非线性热分析
在复杂的工程应用中，非线性热分析是必要的。非线性热分析可以通过 *HEAT TRANSFER, NLGEOM 关键字来实现。
示例：
*STEP, HEAT TRANSFER, NLGEOM
*HEAT FLUX
热流面,100
*FILM
对流面,50,300
*BOUNDARY
NSET1,300
*NODE FILE
TEMP, HFL
*EL FILE
TEMP
*END STEP
- NLGEOM：启用非线性几何分析。
15.2 温度-时间函数
在某些情况下，热源或对流换热条件可能是时间的函数。可以通过 *DFLUX, TIME 或 *FILM, TIME 关键字来实现。
示例：
假设热流强度随时间变化如下：
| 时间 (s) | 热流强度 (W/m²) |
|----------|------------------|
| 0 | 0 |
| 5 | 100 |
| 10 | 200 |
*DFLUX, TIME
时间, 热流强度
0,0
5,100
10,200
*END DFLUX
16. 总结
通过上述步骤和示例，我们可以看到 Calculix 在热力学耦合分析中的强大功能。正确设置热源、材料属性和边界条件是进行热力学耦合分析的关键。希望本教程能帮助您更好地理解和应用 Calculix 进行热力学耦合分析。
标签：分析,10,材料力学,热流,定义,300,Calculix,耦合,TYPE From： https://blog.csdn.net/weixin_42749425/article/details/145122402