基于ANSYSWORKBENCH的摩擦生热分析.docx

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基于ANSYSWORKBENCH的摩擦生热分析

本篇文章说明，如何在WORBENCH中通过改变单元的形式来做摩擦生热的耦合分析。

lOMPa

【问题描述】

在一个定块上，有一个滑块。

在滑块顶顶面上施加一垂直于表面指向定块的

的分布力系。

现在滑块在定块表面上滑行3.75mm，要求摩擦而产生的热量，并计算滑块

和定块内部的温度分布和应力分布。

定块的尺寸：

宽5mm，高1.25mm，厚1mm

滑块的尺寸：

宽1.25mm，高1.5mm，厚1mm

材料：

弹性模量：

7e10Pa;泊松比：

0.3;密度：

2700kg/m（3）;热膨胀系数：

23.86e-6/k

Pressure:

IO.MPji；BIDisplJcetoenl©Dispfjscerneht2

E>

（注）该问题来自于许京荆的《ANSYS13.0WORKBNCH数值模拟技术》，中国水利水电出版社，2012，P381.

【问题分析】

关键技术分析:

此问题属于摩擦生热，不能够使用载荷传递法，而只能使用直接耦合法。

这就是说,只能用一个耦合单元来计算摩擦生热问题。

解决该问题的基本思路如下

（1）使用瞬态结构动力学分析系统

（2）在该系统中更改单元为PLANE223,它是一个耦合单元，可以完成多种耦合分析,

这里使用其结构-热分析功能。

（3）定义两个载荷步，第一步将动块移动到指定位置，第二步保持最终位置，以获得平衡解。

（4）在求解设置中，关闭结构分析的惯性部分，而只做静力学结构分析，但是对于热分析仍旧做瞬态热分析。

（5）由于使用了瞬态动力学分析，结果中默认是没有温度可以直接从界面中得到的。

需要自定义结果，提取温度。

WORKBENCH中使用APDL

（6）此问题要多处使用插入命令的方式，从而可以在的功能。

（7）瞬态结构动力学分析系统的工程数据中，无法得到热分析的部分参数，所以需要先创建一个单独的工程数据系统，然后把它与瞬态结构动力学分析的工程数据单元格相关联。

（8）在DM中创建两个草图，然后根据草图得到面物体。

再对这两个面物体进行平面应力的分析。

（9）本博文的主要目的是要阐述：

如何在WORKBENCH中使用耦合单元进行多物理场的耦合分析。

【求解过程】

1.进入ANSYSWORKBENCH14.5

2.创建瞬态结构分析系统

6

EnQwmgData』

■?

...I

3.设置材料属性。

双击engineeringdata,加入新材料，命名为al，设置属性如下。

|PTCWtiC5ofOu血cRowdp

A

p

Q

I

Propertv

Wt

2

逍Denstv

127M

kgrn^-3二J

3

a

电片IsotrocKSeciTtCoeffiowtofThermal旧&{i>art5Kn

4

伺C«fiiQwtofThennelEitpanson

2.3B6E-0!

K^-1二j

5

餐1RflftrienceTenperature

0

£

国

I$otrdpcEl^bcty

Toufig'5M...二1

7

Defivefrom

3

Vfunn'cbbufa^tc

7E+10

p*n

9

Poeson'^s

di

W

5Lfl33X+10

'Pa

11

3.6S23E+10

Pa

12

它1Isoropk■RwmaiiGorySuctrvity

1150jJ

li

SfMd他Heat

如&

jlfcfl-'-ie*-t二J

4.创建几何模型。

双击geometry，进入到DM。

设置长度单位是毫米。

首先创建两个草图,

By圍8sGeof*rtetry

IB播xvp怙皿

r木ZXPlane

VZPbne

*劈I0P?

rts,0Bodies

其几何图形及尺寸如下图

!

2汕

分别拉伸这两个草图，得到两个面体，并设置其厚度均为1mm.

存盘，退出DM。

设置几何单元的属性为2D实体，表明要做平面问题的分析。

15

eAct.'anoedGmp#（ryStm

]«

gyuT/iK[sJ

17

UseAssDcutFiitr

V

U

SpMtCgrgte話3，ttE]

W

ImportWofk,Us

」1

X

ReaderMode54-ukUtuLsiedfile|

21

ImportLMngIrvtviaEi

[tfl

22

23

Endoa^KandSymmetryPtKessng

严

□ecofi^poKDis]G?

ritGeornetry

|y

5.设置单元类型。

双击MODEL,进入到MECHANICAL中。

-IDefinition

Source

Type

（1）设置是平面应力问题。

EAresearch\^44\ANSY5\worktxnch界卧“.DesignModeler

LengthUnit

Millimeters

ProgramControlled

ElementControl

|20B'chaviQr

PlantStress

1

DisplaySty怎

BodyCQlor

（2）设置材料属性。

将两个物体的材料都设置为AL

■'Materidt

1Assignment

pl1

NonlinearEffects

Ves

ThermallStrainEffects

Yei

（3）设置单元属性。

设置这两个物体的单元属性，都设置为热-结构耦合单元PLANE223.

为了做到这一点，首先对滑块添加一个命令对象。

IBIPrejertas

£

Model（&4}

『野~

一Surface

C（tfw«bw«>Upd匝㈱Merfi

TianlwtffL

Geperal#Mesh

在窗口中输入定义单元类型的APDL命令。

Iifeuwim

C4«i.ftdixntschit£1L«ba=dAfinici^n*indfillPT*

TK4it占FLtltbxEhLlfc^vI点Lh4土"MtLd".

JL&tAv

Um:

Afhy»thatxtqkilebBItpIaiiEb&・匹《■】ki^pBuAilCaX4Klti«C4ndLlt*nt■dIWuAxt

）«*-iolvingUnitriRth・粘•】■iyvtuiforwr4-丄nf辛imgru

该命令对滑块设置其单元类型是PLANE223，并确定其关键字是11.该关键字意味着

此单元用作热-结构耦合分析。

将该命令拷贝到定块中，设置定块也使用同样的耦合单元。

SGeometry

By0SurfeceBody

L7壓Commands（APDL）国#◎Surf^osBody

-扈Essasss

■+'（■E-+4

6.设置接触。

（1）设置接触特性。

设置滑块和定块之间发生摩擦接触。

并对该接触设置如下

No

■tonT«10CXll«

TargrtBodhn

SHdIThidcxHEffect-IOeliriithan

om

Type1

1Frictional1

FrirtionCoftftirM1

021

Scffp*Mo

Automatic

Prffgr^m

TrimTolTfsncc

laWSe-OMnm

^pprc-sstd

Advanced

FormuhtiDnlAugrrwitKdugran^|

CbKKtierMfttiod

FrogramCcnu^lled

PenetrationToEnce

ProgramCcntrorinl

lEilasticSlipToItrarer

ProgramControCled

Ihterfit#-TPHtmeflt

AddOffset,rJoRamping

Offset

0.mo

NofmalSdffxH

ProgramControlled

1UtpeJateSitffiwn

[Ciclih«r^jcri]

T

.祈甜tionDami/iriqFactPf.0

即设置为摩擦系数是0.2的有摩擦接触，非对称接触，使用增强的拉格朗日算法，每

次迭代均更新接触刚度。

（2）设置接触单元包含位移和温度自由度。

在该接触下面添加APDL命令。

■teaiiCTt

0Ccmeciwns

[RCvritKa

FjSTraniienl{l»詁肩血PP哄'

T咒DisableTransparency

」•R

'他ComretiDn^roupH

•M^rxjdMeth

在出现的文件窗口中输入下列命令

其含义是，对于接触单元contac172,设置其1号关键字是1，从ansys帮助中，可以

知道该关键字为1的含义是，接触单元每个节点均包含有UX,UY,TEMP三个自由度。

即意

味着是热-结构耦合冋题。

KEYOPT（l）

Selectsdegreesoffreectom；

0"

Ux,UYh"

IUY.TEMP

为了防止上述命令在ANSYS自动更新时被删除，设置connections的属性如下

ilProject

鼻（iwsflwfrv

底』PSirBody

'yftCofimBflCfe（APa]

S#筍StrfeiieBody一*凰（flPOL）

L*/二cur-thTAie冃-凤Ic

i[F;朋陕创Cm*城2AnflhstsSetlngte治3utriXi伽3

-AutfiPclrtti4n

即：

更新时，请不要生成自动连接关系。

7.划分网格。

8.

8.设置载荷步。

首先设置两个载荷步。

设置单元尺寸为0.1mm，戈y分网格。

Pr^famC^ritrolkd

Program匚ontrolledOn

E£t«pContrels

NijmtwOfSte-p:

2

CurrentSteplhumber

丄.

SttpEndTirnc

3.75e-CO3s

AutoTimestepping

Cfi

DefineSy

aubfteps

InitialSubfteps

100.

■MtninHim&ybricps|

100,

MaximumSubsteps

10000

TimeIntegration

Or

■SolverControls

SolverTyipe

Programtcntrollkd

WeakSprings

ProgramControlled

LargeDeflection

□ri.

以及第二个载荷步

叵StepOifltrels

NumberOfSteps

2.

CurrentStepNumbef

2.

StepEndTime

0,25

AutcTim#Stepping

On

DefineBy

孔b亦pf

CarryOverTirrwSiep

Off

InitMlSubsteps

100.

MinimumSub^tepi

10.

MaximumSubstcps

Ig

■Tinnelntegratt&ni

Ort

El

然后设置第一个载荷步的结束时间，时间步长等

Sohrt-rControl,

SoberTypeWeakSpringsLargeDeflection

9.固定定块。

定块的位移全固定。

Di»pbcem«int2口

tompenent^：

O』」rr™

10.施加压力。

PrtJ下严*:

IV,Wfl

MPi

11.施加位移。

给滑块的右侧边施加位移。

不动。

其X方向位移如下表。

即在3.75毫秒时已经移动了3.75mm,然后一直维持到0.2秒

然后在出现的文本窗口中输入如下命令流

12.设置求解算法。

首先在transient下插入命令

H=⑥Transient（85）

鬧

A

/soluallselrref,O'

i;rnopt,full

t士ElintFoff,3true

tintp,…1.0

其含义如下

timint,off,struc

对于结构有关的自由度UX,UY，关闭瞬态效果（即不考虑质量或

者惯性作用），这样只是做瞬态热分析。

tintp,,,,1.0-----定义瞬态热分析的积分参数。

这里定义了一阶瞬态热分析的积分

参数是1.0.

另外，确定是每个时间步均执行上述命令流。

B.画TraFluent:

5刃更"曲ttbalCondtiorsyOAnalrasSeranigs扈MEypport

Prtsftjt丿屯，DuplKenwit區

13.计算。

TT5<

.；_£]Solubonfns«rt

Ml

VSolve

14.后处理。

插入总变形，等效应力。

插入自定义结果，在表达式中取出系统的温度变量。

勺』蚩Sokibon（B6J

vJjScSO"IflSiO他lotdDeWutnr*

7耐E£Uvalsit&[r«s

“鑰UhtDefinedResist

KetutsOff*UseTDefinedRcu

更新得到下列结果。

等效应力如下图

可见，在滑动的过程中，滑块的右下角点有最大的应力。

而定块的应力均匀。

最后时刻的温度分布如下图

可见，由于使用了默认的绝热边界条件，动块和定块的温度均趋于均匀。

而且，定块

没有热传递行为发生。

这与实际情况显然是有区别的。

可以通过设置接触面之间的热导率来更加逼真地模拟此情况。

F面是最高温度的变化线图

0.05秒时,

绝热边界条件，热向两个物体内部渐渐扩散，从而最高温度渐渐降低。

大概到温度就已经均衡，热传导过程结束，两个物体均处于恒温状态。

F面是动块滑动过程中某一瞬间的温度云图。

1.7892Max

1.6046

14199

1.2353

1-0506

0.86601

3.68137

倔672

03120S

0.12744Min

可以看到，对于动块而言，摩擦面温度最高，此时正在通过热传导将热量向上方传递。