基于ANSYS WORKBENCH的结构热耦合分析之摩擦生热案例（附：源文件和视频教程）

  目前，ANSYS Workbench 中还不能直接完成所有的直接耦合场分析，但Workbench提供了添加命令流的方法，可以帮助用户完成此类耦合分析项目，对于熟悉APDL语言的使用者而言，可以融合Workbench平台和APDL的优势完成数值分析。

        本篇文章讲解，如何在ANSYS WORBENCH环境通过插入命令流的方式来改变单元类型以完成结构热耦合分析（以两个2D矩形块摩擦生热为例来进行讲解）

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问题描述

        在一个定块上，有一个滑块。在滑块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，欲求解因摩擦而产生的热量，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

02

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）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。

（7）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。

03

求解过程

【求解过程】

1. 进入ANSYS WORKBENCH主界面

2. 创建工程数据项目、几何模型项目以及瞬态结构分析项目并建立如下所示连接关系。（注：瞬态结构分析中只包含结构力学相关的材料参数，所以需要单独建立一个工程数据项目设置好材料结构力学参数和热学相关参数）

3.设置材料属性。

双击engineering data，加入新材料，命名为AL，设置材料属性如下。

4.创建几何模型。

上端为正方形（1.25mm*1.25mm）,下端为矩形（1.25mm*5mm）, 用surface from sketch功能即可生成2个面体。厚度均为1mm。

在WB主界面中点击Geometry设置几何模型的分析类型为2D模式，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。

    点击Geometry 在明细窗口选择2D behavior 类型为Plane Stress。

（2）设置材料属性。

    将两个矩形块的材料都设置为AL。

（3）设置单元属性。

设置这两个物体的单元类型，都设置为热-结构耦合单元PLANE223.

需要分别在两个矩形块的模型树下面分别添加Commands命令流。

下面固定滑块（Fix）和上方移动滑块（Slide）单位类型都为PLANE223。因此单元类型定义的命令流也一样只需复制粘贴即可。

et,matid,plane223,11 语句解释

et，为单元类型定义命令（Element type）

matid，为该单元类型的命名

plane223 为单元类型

11为单元keyopt关键字。该11关键字的应用如下图

功能强大的PLANE223单元简介如下（摘自ANSYS help）

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。

接触设置明细如下图：

        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。

keyopt,cid,1,1

其含义是，对于接触单元CONTA172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。

     为避免更新模型是接触被更改，可以做如下设置

7.划分网格。

设置单元尺寸为0.1mm，划分网格。

8.设置载荷步。

设置两个载荷步。第一载荷步滑块移动设置：

第二载荷步滑块保持设置：

9.固定定块。

定块的上表面约束XY方向的位移为0。0-0.2s两个载荷步都保存该约束。

10.施加压力。

在滑块的上边线施加竖直向下的均布载荷10MPa。0-0.2s两个载荷步都保存该约束。

可以通过如下的载荷分量的形式进行添加载荷。

11.施加位移。

给滑块的右侧边施加位移。0-3.75e-3s位移斜坡方式增大直到3.75mm，之后保持位移不变。

12.设置求解算法。

在transient下插入Commands命令

/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。

点击Solve进行求解计算。 该模型网格单元较少，一般电脑几分钟就可求解完毕。

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。

     等效应力如下图

      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曲线图

      在动块刚滑移到3.75mm时刻，温度急剧上升到最高6.08k，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。

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