LS-DYNA动力分析指南-第13章-热分析与热固耦合分析

211第十三章第十三章第十三章第十三章热分析和热固耦合分析热分析和热固耦合分析热分析和热固耦合分析热分析和热固耦合分析LS-DYNA除了强大的结构动力分析功能外，还可以进行稳态或瞬态的热分析，和热固耦合分析，可以处理热传导、对流和辐射各种热问题，在焊接、冲压、锻压及碰撞等过程中方便的考虑热问题（如塑性能转化为热能的问题）及热应力问题。13.1LS-DYNA求解热问题所涉及到的关键字求解热问题所涉及到的关键字求解热问题所涉及到的关键字求解热问题所涉及到的关键字：：：：*CONTROL_SOLUTION*CONTROL_THERMAL_SOLVER*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL*BOUNDARY_CONVECTION_OPTION*BOUNDARY__FLUX_OPTION*BOUNDARY_RADIATION_OPTION*BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION*BOUNDARY_THERMAL_WELD*INITIAL_TEMPERATURE_OPTION*LOAD_HEAT_GENERATION_OPTION*PART*MAT_THERMAL_OPTION13.213.213.213.2进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤：：：：13.2.1LS13.2.1LS13.2.1LS13.2.1LS----DYNADYNADYNADYNA激活热分析的关键字激活热分析的关键字激活热分析的关键字激活热分析的关键字*CONTROL_SOLUTION：：：：SOLN参数取值：
0—结构分析
1—热分析
2—热固耦合分析13.2.213.2.213.2.213.2.2定义材料热性参数定义材料热性参数定义材料热性参数定义材料热性参数：：：：在LS-DYNA中，材料的物性参数和热性参数是分开定义的，即通过不同的材料关键字来定义，使用的是*MAT_THERMAL_OPTION，然后由*PART关键字进行关联。LS-DYNA中有比较多的热材料模式，包括各向同性和正交各向异性热材料,如下所示：212典型的输入为：把热材料与结构材料相连使用的是*PART关键字：其中的参数TMID就是定义的热材料ID号，而MID就是定义的结构材料ID号，它们的编号可以一样，是不相干的。要注意的是热材料只对体单元和壳单元有效，对梁单元和离散单元无效，即LS-DYNA中梁单元和离散单元不能进行热分析或热固耦合分析。13.2.313.2.313.2.313.2.3定义热边界条件定义热边界条件定义热边界条件定义热边界条件：：：：热边界条件包括热传导、对流、辐射和温度边界条件，还可以考虑移动焊点的边界条件。由下面的关键字进行定义：*BOUNDARY_CONVECTION_OPTION*BOUNDARY__FLUX_OPTION*BOUNDARY_RADIATION_OPTION*BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION*BOUNDARY_THERMAL_WELD典型的输入为：21313.2.413.2.413.2.413.2.4定义热初始条件定义热初始条件定义热初始条件定义热初始条件：：：：有时需要定义热初始条件，如初始温度，使用的关键字是*INITIAL_TEMPERATURE_OPTION。。。。典型的输入是：即在节点组10上施加初始温度20摄氏度，在节点组20上施加初始温度400摄氏度。13.3.513.3.513.3.513.3.5定义热生成率定义热生成率定义热生成率定义热生成率：：：：在一些应用中，需要定义热生成率来模拟热源，*LOAD_HEAT_GENERATION_OPTION典型输入为：其中SID代表热源的实体单元SETID号，LCID代表加载的曲线ID号，CMULT代表缩放因子。13.2.613.2.613.2.613.2.6定义热接触定义热接触定义热接触定义热接触：：：：当有接触存在时，必须考虑热接触问题，LS-DYNA可以定义3D和2D状态下的热接触问题。对于三维热接触，目前只能使用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL关键字进行定义。典型的输入为：与结构分析中定义接触一样，对于热分析和热固耦合分析，只要在结构分析接触定义的基础上，在关键字中增加THERMAL，在第5行添加相关热特性参数：cf：在两接触物体空隙间（空气或流体）的导热系数frad：两接触物体间的辐射因子htc：两物体空隙间的热传导系数gcrit：最小的空隙条件（如两物体间的空隙小于该值，使用htc值）gmax:：最大的空隙量（若两物体间的空隙大于该值，则没有热接触）214对于二维热接触（如轴对称问题、平面应变问题等），目前只能使用下面关键字进行定义。*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE_THERMAL*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL典型的输入为：其中的相关热性参数与三维热接触定义一样。13.2.713.2.713.2.713.2.7控制热求解器相关参数控制热求解器相关参数控制热求解器相关参数控制热求解器相关参数：：：：对于热分析或热固耦合分析，可以控制这种分析是稳态分析还是瞬态分析，是线性问题还是非线性问题，选择什么样的热求解器及热分析的时间步长问题等。由下面的关键字来控制：*CONTROL_THERMAL_SOLVER*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR典型的输入为：其中相关参数说明：ATYPE：热分析的分类
0：稳态分析
1：瞬态分析PTYPE：热问题是线性还是非线性的
0：线性问题
1或2：非线性问题，需要定义*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR关键字FWORK：塑性变形能转化为热能的百分比，使用该参数可以在冲压或锻压成型过程中考虑塑性变形能转化为热能的问题。TS：时间步的设置：
0：固定时间步长
1：可变时间步长（可增加或减少，由程序控制）在实际求解过程中，可能有时会遇到收敛困难等问题，需要调整相关求解控制参数。相关热分析专题培训请与作者联系[e-mail]。21513.3轴对称热挤压问题示例轴对称热挤压问题示例轴对称热挤压问题示例轴对称热挤压问题示例下面为一简单示例，一个轴对称的挤压问题，可以在做挤压分析的同时考虑热问题，即进行热固耦合分析，工件的温度为400度，模具为20度，结果如下：某时刻的应力情况：同时刻的温度情况：216下面为该例的关键字文件，为节省篇幅，关键字中的节点和单元没有全部列出：$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*KEYWORD$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*TITLETHERMALEXTRUSION$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$$$CONTROLCARD$$$$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*CONTROL_ADAPTIVE$ADPFREQADPTOLADPOPTMAXLVLTBIRTHTDEATHLCADPIOFLAG0.000100.0020840.01.0000E+230$ADPSIZEADPASSIREFLGADPENEADPTHEMEMORYORIENTMAXEL1.0000E+23000.00.0000*CONTROL_TIMESTEP$DTINITTSSFACISDOTSLIMTDT2MSLCTMERODEMS1ST0.00.9000.0$DT2MSF*CONTROL_TERMINATION$ENDTIMENDCYCDTMINENDENGENDMAS40.000.00.0*CONTROL_SOLUTION$SOLN2*CONTROL_THERMAL_SOLVER$ATYPEPTYPESOLVERCGTOLGPTEQHEATFWORKSBC1130.00010*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP$TSTIPITSTMINTMAXDTEMPTSCP0.0000201.0000E-08*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR$REFMAXTOLDCP$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$$$DATABASECONTROLFORASCII$$$$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*DATABASE_GLSTAT$DT2170.040*DATABASE_MATSUM$DT0.040$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$$$DATABASECONTROLFORBINARY$$$$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*DATABASE_BINARY_D3PLOT$DT/CYCLLCDTBEAMNPLTC0.4000*DATABASE_BINARY_D3THDT$DT/CYCLLCDT0.040*DATABASE_BINARY_D3DUMP$DT/CYCL2.6780E+07$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$$$DATABASEEXTENTCARDS$$$$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*DATABASE_EXTENT_BINARY$^$NEIPHNEIPSMAXINTSTRFLGSIGFLGEPSFLGRLTFLGENGFLG00311111$CMPFLGIEVERPBEAMIPDCOMPSHGESTSSZN3THDT0040002$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8$$$DATABASEFORMATCARDS$$$$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8*DATABASE_FORMAT$I