自研软件介绍| HFEM 含随机夹杂的传热问题的建模与仿真

关键词：随机，夹杂，传热，建模，自研软件，有限元

1. 背景

一些导热或者隔热材料，在进行设计的时候，需要通过加入夹杂材料进行传热性能的调节。

从单纯的仿真层面来说，这没有什么花头，不需要定义什么特别的本构。但是建模需要稍微费点事情，一般是开发一个插件实现。

来源：https://blog.csdn.net/m0_55461298/article/details/147055461

即便是二维问题，也需要搞点额外的代码才能完成建模：

来源：abaqus 随机裂缝 纤维混凝土建模_abaqus随机裂纹-CSDN博客

实际上，在使用商用软件的过程中，大部分的难点都是因为“特殊需求”造成的，通用型的商用软件如果要去解决专门的行业问题，天然就面临建模、本构、后处理等方面的困难。

这种情况下，如果有自研的软件作为“基本型”，很多特殊的需求，都可以通过简单的补充开发，快速实现。

本文就以这种“含随机夹杂的传热问题”为例，对我们自研的HFEM通用二维传热分析有限元软件进行改进，实现这类的问题快速建模与分析。

2. 实现方法

交互逻辑

首先：在交互建模中，增加专门的“夹杂”按钮。

交互逻辑：选择目标几何体，然后输入夹杂的尺寸范围，这里默认的是圆形夹杂物。然后定义好含量、选择材料（或者直接输入参数），就可以实现位置随机、尺寸随机的夹杂物的插入。

夹杂的定义

对于位于边界区域的夹杂，自动进行裁切，夹杂插入后的效果如下：

夹杂插入的效果

为了匹配夹杂带来的边界分割、几何体边界关系骤增引起的网格划分效率问题、边界条件识别问题，首先对网格划分模块进行了效率优化。

然后对于边界条件的识别，增加了按角度阈值拾取功能。

辅助改进

为了方便和商用软件结果的对比，又增加了两个关键功能：

1） 节点温度历程数据的提取

在原先的节点温度查看基础上，增加了“导出Excel”功能，可以将具体数据导出。

2） 导出为ABAQUS inp文件功能

增加了导出inp功能，将HFEM当前的工程导出为ABAQUS的输入，便于用户进行验证。

更关键的是，这样就可以把HFEM作为类似于ABAQUS“插件”的东西，专门用于这种夹杂问题的建模。

导入ABAQUS 的效果

3. 仿真效果

这里对比ABAQUS 的结果用于仿真效果的说明。

以上述模型为例，铜中夹杂铝，仿真总时间设置为36000秒，60步，瞬态计算。

初始温度20℃，模型顶部设置对流换热，环境温度100℃，换热系数20。结果如下：

HFEM结果

ABAQUS 结果

模型左上角节点温度曲线

从上述结果可以看出，HFEM结果与ABAQUS结果吻合。

4. 结语

上述问题只是HFEM应用的一个简单的场景，欢迎大家就“特殊需求”与我们交流合作，让HFEM在实际问题中发挥作用。