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基于ANSYS WORKBENCH的摩擦生热分析

发布日期:2018-07-01 作者:baile100浏览次数:14
内容提要: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。在一个定块上,有一个滑块。在滑块顶顶面上

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。

 

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10MPa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;摩擦系数:0.2;热导率:150W/(M K);比热:900J/(kg K)

(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.

 

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。

(6)此问题 要多处使用插入命令的方式,从而可以在WORKBENCH中使用APDL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。

 

1.进入ANSYS WORKBENCH14.5

2. 创建瞬 态结构分析系统

3.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。

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,

其几何 图形及尺寸如下图

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。

5.设置单元类型。

双击MODEL,进入到MECHANICAL中。

(1)设置是平面应力问题。

(2)设置材料属性。

将两个 物体的材料都设置为AL

(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。

在窗口 中输入定义单元类型的APDL命令。

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。

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

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。

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-结构耦合问题。

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

即:更新时,请不要 生成自动连接关系。

7.划分网格。

设置单元尺寸为0.1mm,划分网格。

8.设置载荷步。

首先设置两个载荷步。

然后设 置第一个载荷步的结束时间,时间步长等。

以及第二个载荷步

9.固定定块。

定块的位移全固定。

10.施加压力。

在滑块 的上边线上施加竖直向下的均布载荷10MPa.

11.施加位移。

给滑块 的右侧边施加位移。

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秒不动。

12.设置求解算法。

首先在transient下插入命令

然后在 出现的文本窗口中输入如下命令流

其含义如下

/solu-----------进入到solu求解程序中;

allsel---------选择所 有的节点和单元参与计算;

tref,0---------定义热 应变分析的参考温度是0;

trnopt,full-----定义瞬态分析的算法:完全法;

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。

13.计算。

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。

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,定块和动块之间,由于默 认的热阻是无限大,所以,虽然二者有温度差,但是在 两个物块之间并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。

下面是 最高温度的变化线图

可见,在动块 刚滑移到终点时刻,温度急剧上升到最高4.3k,然后动块静止。由于是绝热边界条件,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0.05秒时,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。

下面是 动块滑动过程中某一瞬间的温度云图。

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

 
 
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