基于有限元軟件的工裝熱應力分析方法

高一國

（哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，哈爾濱　150000）

1　引言

1.1　有限元軟件簡介

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是對于結構力學分析迅速發展起來的一種現代計算方法。ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS強大的熱分析功能，使得許多著名電子廠商采用ABAQUS來分析電子設備的熱問題，如摩托羅拉，英特爾，諾基亞，飛利浦，惠普，IBM和華為公司等。ABAQUS擁有強大的熱—力耦合分析功能，可以分析順序耦合和完全耦合的熱力學問題。在ABAQUS中建立線加熱的模型，可以在模型中考慮傳導、對流和輻射，并且通常需要在激光作用的部位進行局部加密網格，ABAQUS提供了這一功能。

1.2　傳熱學簡介

熱能傳遞有三種基本方式：熱傳導、熱對流與熱輻射。

物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞稱為熱傳導（heat conduction），簡稱導熱。例如，模具內部熱量由溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分。

熱對流（heat convection）是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。工程上，當流體流過一個物體表面時，流體于物體表面的間的熱量傳遞過程，稱之為對流傳熱（convective heat transfer）。例如，復合材料產品在熱壓罐內，熱量由壓縮空氣傳遞到模體的過程。或熱量由熱壓油傳到模體的過程。

物體通過電磁波來傳遞熱量的方式稱為輻射，物體會因各種原因發出輻射能，其中因熱的原因而發出的輻射能的現象稱為熱輻射。輻射與吸收過程的綜合結果就造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞，輻射傳熱（radiative heat transfer）。

1.3　ABAQUS熱應力分析簡介

熱應力又稱為溫度應力，它是由于構件受熱不均勻而存在著溫度差異，各處膨脹變形或收縮變形不一致，相互約束而產生的內應力。ABAQUS提供三種熱應力分析程序：

（1）順序耦合熱應力分析，最常用的方法。當應力是由熱量場存在造成的，并且熱求解過程與應力狀態無關，也就是說應力依賴于熱產生，而熱并不依賴位移。順序耦合熱應力分析需要完成兩個分析過程：先分析熱傳導，再將溫度結果導入到熱應力分析。熱分析的結果，如溫度（位置，時間的函數）被讀入應力分析，作為一個預定義場處理。

（2）完全耦合熱應力分析，常用的方法。應力依賴于溫度場并且溫度也依賴于應力場，完全耦合熱應力分析只需要完成一個分析過程。

（3）絕熱分析。這個分析的目的是模擬機械的變形產生局部的熱量，但是時間很短，熱傳導不明顯。所有的溫度增加是在材料局部發生的，并且只影響局部材料點的機械屬性。求解熱應力，既要確定溫度場，又要確定位移、應變和應力場。與時間無關的溫度場稱定常溫度場，它引起定常熱應力；隨時間變化的溫度場叫非定常溫度場，它引起非定常熱應力。

2　基于有限元軟件的工裝熱應力分析方法

針對復合材料的成型特點，復合材固化一般是在穩定的溫度場。因此工裝熱應力一般采用順序耦合熱應力分析。工裝熱應力的求解步驟：由熱傳導方程和邊界條件（求非定常溫度場還須初始條件）求出溫度分布；再由熱彈性力學方程求出位移和應力。

2.1　熱應力分析的前處理過程

2.1.1熱應力分析CAD模型建立及網格劃分

該復合材料結構膠接工裝具體結構形式：中間的主支撐為鋼材，其他三個支撐及上下支撐板為鋁材，彼此之間固定連接。并將工裝模型簡化為殼體模型。再將熱應力分析CAD模型導入到ABAQUS中。

在ABAQUS中進行網格劃分，復合材料結構膠接工裝網格劃分的全局比例因子是10mm，網格劃分完成后的總網格單元數量為：62975個單元。

圖1　熱應力分析網格劃分結果

圖1需要加載的載荷：初始溫度場20℃；穩態溫度場120℃。

2.1.2材料屬性

表1　鋼材與鋁材的材料屬性

2.2　熱應力分析的后處理及結果

2.2.1應力分布

圖2為復合材料結構膠接工裝熱應力的分布圖，由分布圖可以獲得工裝的應力分布情況，有助于改進工裝設計。

圖2　在積分點處的Mises應力分量

2.2.2位移變化

圖3為工裝的位移變化情況，位移最大變化值為12.48mm。

圖3　在節點處的空間位移

3　結束語

本文是基于有限元軟件ABAQUS的工裝熱應力分析方法研究，針對工裝的特性，完成工裝熱應力分析，提出一種切實有效的分析方法。后續會根據分析結果及真實實驗結果進行對比試驗，得出更精確的分析方法。針對復合材料結構膠接件是在高溫，加壓下固化成型，由于溫度變化，不同材料之間的熱膨脹系數的差異，會引起工裝和產品的變形。本文對工裝熱應力的典型結構進行分析，得到工裝熱應力的分布云圖和位移變化云圖。為工裝設計改進提供依據。

[1]趙渠森.先進復合材料手冊.北京：機械工業出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.8.

[3]莊茁，由小川等.基于ABAQUS的有限元分析和應用.北京：清華大學出版社，2009.1.

[4]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解.北京：機械工業出版社，2006.6.

[5]Abaqus Analysis User’s Manual（v6.8）.

[6]Abaqus Theory Manual（v6.8）.