CHUYÊN ĐỀ ABAQUS - Phân tích truyền dẫn nhiệt và ứng suất nhiệt

CHUYÊN ĐỀ ABAQUS ——Phân tích truyền dẫn nhiệt ứng suất nhiệt Giới thiệu truyền dẫn nhiệt vật rắn Tổng quan • Giới thiệu • Q trình phân tích • Tính chất nhiệt vật liệu • Kho phần tử truyền dẫn nhiệt ABAQUS/Standard • Điều kiện biên tải trọng • Phân tích trạng thái ổn định • Ví dụ Giới thiệu ABAQUS phần mềm chủ yếu dùng để tiến hành “phân tích ứng suất” Nhưng ABAQUS có đặc tính quan trọng: giải vấn đề truyền dẫn nhiệt mơ hình quy mơ lớn, phức tạp nhiều phận —— Khả giải truyền dẫn nhiệt từ vấn đề ứng suất nhiệt phát triển Giới thiệu Đặc tính truyền dẫn nhiệt ABAQUS Hưởng ứng trạng thái ổn định (stability) Hưởng ứng trạng thái tức thời (transient), bao gồm bước thời gian dài tự thích ứng Đầy đủ điều kiện biên truyền dẫn nhiệt Thuộc tính vật liệu (và tải trọng) phụ thuộc vào nhiệt độ “Tiếp xúc” nhiệt cho phép “bề mặt tiếp xúc” có nhiệt lưu động Có thể dễ dàng nhập trường nhiệt độ vào phân tích ứng suất nhiệt Đặc tính * Nhiệt tiềm ẩn (do chuyển pha tạo ra) * Đối lưu cưỡng * Công phân tích ngẫu hợp ứng suất – truyền dẫn nhiệt * Phần tử vỏ truyền dẫn nhiệt (thang độ nhiệt độ theo phương độ dày) * Công xạ khoang rỗng (tăng nhiệt lị sưởi) Giới thiệu ABAQUS khơng thể: ——ABAQUS khơng phải phần mềm phân tích truyền dẫn nhiệt chun nghiệp • Phân tích thể lỏng • Đối lưu tự • Lực lái dịng • Đối với vấn đề sốc nhiệt không phân chia mạng lưới tự thích ứng • Phân tích truyền nhiệt ngược Giới thiệu So sánh cân lực với bảo toàn lượng Trong phân tích ứng suất, ABAQUS giải phương trình cân lực: Mu’’ = P – I Trong phân tích truyền dẫn nhiệt, ABAQUS giải phương trình “bảo tồn suất” đồng thời xác định phân bố nhiệt độ: ρcθɺ = Q − I q Mật độ Density Nhiệt dung riêng Tỉ suất thay Specific Heat đổi nhiệt độ Nhiệt lượng bên Nhiệt lượng bên Giới thiệu Các đại lượng vật lý phân tích truyền dẫn nhiệt Nhiệt độ, Temperature đơn vị ℃ Nhiệt hay lượng nhiệt, Heat energy đơn vị J Nhiệt suất hay tỉ suất nhiệt, Heat rate power đơn vị J/t or W Lưu lượng nhiệt, Heat flux = Power per unit area đơn vị J/t/L2 “Tỉ suất truyền dẫn nhiệt” k, khả nhiệt lượng chảy vi phân vật chất, đơn vị J/T/L/℃ Lưu lượng nhiệt tỉ lệ thuận với tỉ suất truyền dẫn nhiệt thang độ nhiệt độ: ∂T q = −k ∂x Q Ta L Q = qA = −kA Tb − Ta L A Tb Giới thiệu Nhiệt dung riêng, khả bảo tồn nhiệt vi phân khối lượng vật chất, đơn vị J/M/℃ Q∆t = ρVc∆θ Tăng lượng thời gian Tăng lượng nhiệt độ Nhiệt dung riêng Công thức truyền dẫn nhiệt chiều ∂θ ∂ 2θ =k ρc ∂t ∂x ∂θ ∂ 2θ = α ∂t ∂x k α= ρc Tỉ suất khuếch tán nhiệt Tương tự Ứng suất Nhiệt u θ σ q I = ∫ β T σ dV I = ∫ β T qdV V V D K T β ∫ D β dV T β ∫ K β dV V V Q trình phân tích • Trong ABAQUS/Standard, thực phân tích truyền dẫn nhiệt thơng qua rời rạc khối hình học thành phần tử truyền dẫn nhiệt khuếch tán, đồng thời sử dụng *HEAT TRANSFER để lựa chọn: *HEAT TRANSFER phân tích trạng thái tức thời (mặc định) *HEAT TRANSFER, STEADY STATE phân tích trạng thái ổn định • Trong ABAQUS/Explicit, khơng có lựa chọn phân tích truyền dẫn nhiệt đơn thuần, nhiên tiến hành phân tích nhiệt - ứng suất hồn tồn ngẫu nhiên • Công thông qua thiết lập điều kiện biên tương thích, mơ cơng trình truyền dẫn nhiệt; • Ngồi tải trọng nhiệt khơng xạ khoang rỗng người dùng tự định nghĩa, thuộc tính nhiệt khác sử dụng BAQUS/Standard dùng Explicit Điều kiện biên tải trọng Nhiệt độ mặc định Giá trị nhiệt độ bất biến *BOUNDARY TNODE， 11， Tập điểm nút Nhiệt độ thay đổi: Độ tự thứ 11， 500 Độ tự cuối Nhiệt độ *BOUNDARY, AMPLITUDE = amp-1 TNODE， 11， 11， 500 Biên độ nhiệt độ T Khống chế đường cong biên độ nhiệt độ amp-1 500 t Đường cong biên độ Nhiệt độ thay đổi Phản tác dụng nhiệt độ tỉ suất nhiệt (nhiệt vào điểm nút có nhiệt độ mặc định với suất lưu thông) Biến xuất: RFLn t Điều kiện biên tải trọng Lưu lượng nhiệt mặc định (tỉ suất nhiệt) Lưu lượng nhiệt tập trung điểm nút (cùng với độ tự 11) thơng qua từ khóa *CFLUX để gán *CFLUX， AMP= amp-1 FNODE， 11， 30 Giá trị tham khảo tỉ suất nhiệt Đầu vào tham khảo đường cong AMPLITUDE, tỉ suất nhiệt đầu vào thay đổi theo thời gian Biến đầu CFLn phản ánh giá trị điểm nút *CFLUX Lưu lượng nhiệt phân bố thông qua từ khóa *DFLUX DSFLUX để gán *DFLUX gán mặt khối *DSFLUX có khả gán mặt *DFLUX， AMP= amp-1 ELHOL， S1， 300 *DSFLUX， AMP= amp-1 SHOL， S， 300 q Điều kiện biên tải trọng Điều kiện tầng biên (film) Một loại điều kiện biên thường gặp truyền dẫn nhiệt khối lỏng tăng nhiệt giảm nhiệt áp sát bề mặt tự Từ khóa *CFLIM, *FILM 和 *SFILM dùng định nghĩa điều kiện tầng biên Hệ số tầng biên h tham số đầu vào ABAQUS, JL-2T-1q-1 Tính quan trọng hệ số tầng biên: Tham số ảnh hưởng lớn đến kết truyền dẫn nhiệt Điển hình, h hàm số số Reynold chất lỏng nhiệt độ lưu thông, liên quan đến tình trạng bề mặt độ thơ bẩn phương vị, khó để đặc trưng hóa Thơng thường cần phải thí nghiệm để xác định h Định nghĩa h *FILM PROPERTY, NAME = H1 11.6E-6, 40 14.2E-6, 60 19.3E-6, 80 q Khối lỏng, nhiệt độ θ Film, coefficient h h hàm số nhiệt độ θ Điều kiện biên tải trọng Điều kiện tầng biên (film) *CFILM gán điểm nút *CFILM NODESET， 100.， 450， 2.3E-3 Diện tích Nhiệt độ h *FILM trạng thái hai chiều gán cạnh phần tử, trạng thái ba chiều gán mặt phần tử *FILM ELSET， F3.， 450， 2.3E-3 Nhiệt độ h *SFILM trạng thái ba chiều gán mặt phần tử *FILM SURSET， F.， 450， 2.3E-3 Nhiệt độ h Điều kiện biên tải trọng Bức xạ hướng môi trường Một loại điều kiện biên khác truyền dẫn nhiệt xạ khối đen q = -A(T4 – Te4) *CRADIATE *CRADIATE gán điểm nút NODESET， 100.， 450， 0.1 Emissivity（0~1） *RADIATE gán phần tử *RADIATE ELSET， R1.， 450， 0.1 Mã mặt phần tử *SRADIATE gán mặt *CRADIATE SURSET， R.， 450， 0.1 Định nghĩa điều kiện biên xạ cần phải định nghĩa số Stefan-Boltzmann độ không tuyệt đối *PHYSICAL CONSTANTS, ABSOLUTE ZERO = -273.16 STEFAN BOLTZMANN = 5.6697E-8 Điều kiện biên tải trọng Bức xạ hướng môi trường Tỉ suất xạ emissivity loại bề mặt nhỏ có nhiều tiêu tiệm cận khối đen lý tưởng Một vài tỉ suất xạ vật liệu thường dùng: Commercial aluminum sheet: 0.09 Heavily oxidized aluminum sheet: 0.2 Polished gold: 0.02 Rusted iron plate: 0.6 Polished iron plate: 0.07 Turned, heated cast iron: 0.44 Type 301 stainless steel: 0.58 Red brick: 0.93 Black shiny lacquer on iron: 0.88 White vamish: 0.09 Water: 0.95 Điều kiện biên tải trọng Nhiệt độ vượt cao, tượng xạ vượt cao Bức xạ hướng mơi trường Có cần hay không xem xét điều kiện biên xạ Heat flux Te = Room temp (23oC) h = 10W/m2/oC Tỉ suất xạ =1 Film Radiation 100 Surface temperature 200 Điều kiện biên tải trọng Điều kiện biên tự nhiên Dưới nhiệt độ tùy ý chưa định nghĩa dịng nhiệt đồng thời chưa có bề mặt ngồi dịng nhiệt, điều kiện mặc định thơng qua q=0, tức chưa thơng qua dịng nhiệt bề mặt: điều kiện cách nhiệt lý tưởng Đây điều kiện biên tự nhiên, dùng gán điều kiện biên đối xứng, Nhiệt độ nguồn nhiệt bên 800oC Nhiệt độ nguồn nhiệt bên 400oC Ví dụ thực tế phân tích trạng thái ổn định Truyền dẫn nhiệt hai chiều C D 1.0 E 0.5 y A 0.2 B x Conductivity = 52W/m/oC Film coefficient = 750W/m2/oC Boundary conditions: θ= 100oC C along AB Heat flux = along DA Convection to ambient temperature of 0oC along BC and CD Objective: Find q at E Target solution: 18.3oC at E Định nghĩa tỉ suất truyền dẫn nhiệt Định nghĩa hệ số chuyển nhiệt film Điều kiện chuyển nhiệt Điều kiện biên Phân tích ứng suất nhiệt Q trình phân tích ứng suất nhiệt ABAQUS cung cấp loại chương trình phân tích ứng suất nhiệt: 1.Phân tích ứng suất nhiệt ngẫu hợp tuần tự, phương pháp thường dùng • Ứng suất tồn trường nhiệt lượng tạo thành, đồng thời trình giải nhiệt khơng có quan hệ với trạng thái ứng suất, nói ứng suất phụ thuộc vào nhiệt sinh cịn nhiệt khơng phụ thuộc chuyển vị • Cần phải chạy hai loại phân tích: phân tích truyền dẫn nhiệt, sau lấy kết nhiệt độ phân tích ứng suất dẫn nhiệt • Kết phân tích nhiệt, nhiệt độ (hàm số vị trí thời gian) đưa vào phân tích ứng suất, xem trường định nghĩa trước 2.Phân tích ứng suất nhiệt ngẫu hợp hồn tồn • Ứng suất phụ thuộc vào trường nhiệt độ đồng thời nhiệt độ phụ thuộc vào trường ứng suất • Chỉ cần chạy loại phân tích 3.Phân tích cách nhiệt • Phân tích mơ biến hình giới sản sinh nhiệt lượng cục bộ, thời gian ngắn, truyền dẫn nhiệt khơng rõ ràng • Tất nhiệt độ tăng thêm nơi phát sinh cục vật liệu, đồng thời ảnh hưởng thuộc tính giới điểm vật liệu cục Phân tích ứng suất nhiệt ngẫu hợp Trong phân tích truyền dẫn nhiệt, nhiệt độ đại lượng chưa biết nhiệt độ giải trường Trong phân tích ứng suất, chuyển vị lượng chưa biết Nhiệt độ điểm nút xem tải trọng biết để sản sinh biến dạng nhiệt: ε th = α (θ − θ I ) Đối với biến dạng tính tốn phân tích tĩnh: giải ứng suất: ε mech = ε − ε th σ = D(θ )ε mech Như vậy, trường nhiệt thông qua phương thức ảnh hưởng trường giới: giãn nở (nén co) nhiệt với thuộc tính giới có liên quan đến nhiệt độ Phân tích ứng suất nhiệt ngẫu hợp Giãn nở nhiệt Dưới trạng thái tăng nhiệt khối chưa ràng buộc, thông thường phát sinh giãn nở thể tích, nhân tố đặc trưng biến dạng nhiệt độ xem hệ số giãn nở nhiệt (Coefficient of Thermal expansion, CTE) CTE định nghĩa liên quan đến nhiệt độ, hướng đồng tính hạng mục dị tính Sử dụng *EXPANSION định nghĩa CTE *EXPANSION,TYPE=ISO,ZERO=20 1.0E-6,100,1 1.5E-6,200,1 2.0E-6,100,2 2.5E-6,200,2 Cơng thức tính tốn: ε th = α (θ )(θ − θ ) − α (θ I )(θ I − θ ) θ0: Nhiệt độ tham khảo， θI, Nhiệt độ ban đầu CTE tăng chậm theo nhiệt độ tăng