基于ANSYSWORKBENCH的摩擦生热分析.docx

1、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/kPressure: IO.MPji ；B I Displ

2、Jcetoenl Dispfjscerneht 2E(注)该问题来自于许京荆的 ANSYS13.0 WORKBNCH 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

3、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

4、耦合单元进行多物理 场的耦合分析。【求解过程】1.进入 ANSYS WORKBENCH14.52.创建瞬态结构分析系统6EnQwmg Data ?.I3.设置材料属性。双击engineering data, 加入新材料，命名为 al，设置属性如下。|PTCWtiC5 of Ou血c Row d pApQIProper tvWt2逍 Denstv1 27Mkg rn-3 二J3a电片 IsotrocK SeciTt Coeffiowt of Thermal 旧 &iart5Kn4伺 CfiiQwt of Thennel Eitpanson2.3B6E-0!K-1 二j5餐1 Rflftrienc

5、e T enperature0国I$otrdpc ElbctyToufig5 M. 二17Defivefrom3Vfunnc bbufatc7E+10p* n9PoesonsdiW5Lfl33X+10Pa113.6S23E+10Pa12它1 Isoropk RwmaiiGorySuctrvity1 150 jJliSfMd他 Heat如&jlfcfl-i e*-t 二J4.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,B y圍 8s Geof*rtetryIB播xvp怙皿r 木 ZXPlaneVZPbne*劈I 0 P?rts, 0 Bodies其几何

6、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。15e Act. anoed Gmp# (ry StmgyuT/iK s J17Use AssDcutFiitrVUSpMt Cgrgte 話3，ttEWImport Wofk, Us 1XReader Mode 54-uk UtuLsied file |21Import LMng IrvtviaE itfl2223EndoaK and Symmetry PtKessng严ecofipoK DisG?rit Geornetry|y5.设置单

7、元类型。双击MODEL,进入到MECHANICAL 中。-I DefinitionSourceType(1 )设置是平面应力问题。EAresearch44AN SY5worktx nc h 界卧“. Design ModelerLength UnitMillimetersProgram ControlledElement Control|20 BchaviQrPlant Stress1Display Sty怎Body CQlor(2 )设置材料属性。将两个物体的材料都设置为 AL Materidt1 Assignmentpl 1Nonlinear EffectsVesTh er mall St

8、rain EffectsYei(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P LANE223.为了做到这一点，首先对滑块添加一个命令对象。IBI Prejert a sModel (&4野一 SurfaceC(tfwbw Upd匝 MerfiTianlwtf fLG ep er al# Mesh在窗口中输入定义单元类型的 APDL命令。I ifeuwimC4i.ftdi xnts chit 1L ba = dAfinicin* in dfillPT *TK4 it占FLtl tbx EhLl fcv I点 Lh4 土 MtLd.JL&tAv UKir rf Is

9、己目vhAB tMfl vafl enatad; k*.卫，i. MV, nX I with tratur* 山比fUm : Afhy that xtqkil ebB Itp I aiiEb & 匹】 ki pBuAil Ca X 4K lti C4nd Llt*nt dIW uAxt)* -iolving Unitr iR th粘】 iyvtui for wr4-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。S GeometryB y 0 Surfece

10、BodyL 7 壓 Commands (APDL) 国# Surfos Body -扈 Essasss + ( E- + 46.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 tonT10CXllTargrt BodhnSHdI ThidcxH Effect -I OeliriithanomType 11 Frictional 1FrirtionCoftf tirM 102 1Scffp* MoteAutomaticPrffgrmTrim TolTfsncclaWSe-OMnmpprc-sstdAdvancedFormuhtiDn lAugrrwitKd

11、 ugran |CbKKtier MfttiodFrogram CcnulledPenetration ToEnceProgram CcntrorinllEilastic Slip To It rarerProgram ControCledIhterfit#- TPHtmefltAdd Offset, rJo RampingOffset0. moNofmal SdffxHProgram Controlled1 UtpeJate SitffiwnCicli hrjcri T.祈甜tion Dami/iriq FactPf .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

12、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。 teaiiCTt0 CcmeciwnsR CvritKaF jS Traniienll 詁肩血PP哄T咒 Disable Transparency R他 ComretiDn roup H Mrxjd Meth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。KEYOP T(l)Selects degrees o

13、f freectom ；0Ux,UY hI UY .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il Project鼻(iwsflwfrv底P Sir Bodyyft CofimBflCfe (APaS # 筍 Strfeiie Body 一*凰 (flPOL)L* /二 cur-thTAie 冃-凤I ciF;朋陕创Cm* 城2 Anflhsts Setlngt e 治 3utriXi 伽3-Autfi Pclrtti4n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

14、分网格。Prfam CritrolkdProgram 匚 ontrolled OnE tp Cont relsNijmtw Of Ste-p:2Current Steplhumber丄.Sttp End Tirnc3.75e-CO3 sAuto Time steppingCfiDefine SyaubftepsInitial Subfteps100. MtninHi m &ybricps |100,Maximum Substeps10000Time IntegrationOr Solver ControlsSolver TyipeProgram tcntrollkdWeak SpringsPr

15、ogram Co ntrolledLarge Deflectionri.以及第二个载荷步叵 StepOifltrelsNumber Of Steps2.Current Step Numbef2.Step End Time0,2 5Autc Tim# SteppingOnDefine By孔b亦pfCarry Over Tirrw SiepOffInitMl Substeps100.Minimum Subte pi10.Maximum SubstcpsIg Tinnelntegratt&niOrtEl然后设置第一个载荷步的结束时间，时间步长等Sohrt-r Control,Sober Type

16、Weak Springs Large Deflection9.固定定块。定块的位移全固定。Dipbcemint 2 口tompenent： Orr10.施加压力。PrtJ下严*: IV, WflMPi11.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 = Transient (85)鬧A/solu allsel rref, Oi;rnopt, fullt士Elint F off, 3truetintp,1.0其含义如下

17、tim in t,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 Tra Fluent: 5刃 更曲 ttbal Condtiors yO Analras Seranigs 扈 MEypportPrtsftjt 丿屯，DuplKenwit 區13.计算。T T 5 .；_ Solubon fnsrtMlV Solve14.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

18、统的温度变量。勺蚩 Sokibon(B6JvJj ScSO IflSiO他 lotd DeWutnr*7 耐 EUvalsit&rs“鑰 Uht Defined ResistKetuts Off *UseT Defined Rcu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。1.7892 Max1.6046141991.23531-05060.866013.68137倔67203120S0.12744 Min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。