基于ANSYS-WORKBENCH的摩擦生热分析.doc

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1、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。【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ANSYS

2、13.0 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

3、,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。【求解过程】1。进入ANSYS WORKBENCH14。52. 创建瞬态结构分析系统3。设置材料属性

4、。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

5、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

6、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transien

7、t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

8、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。