基于ANSYS Workbench的摩擦生热分析——耦合单元法

【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)

【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;

(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)主要目的是阐述: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 Workbench

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。