Abaqus从入门到精通（46）实例——铁轨的热应力分析

从下面的一个简单实例中，读者可以学习如何在ABAQUS中进行热应力分析，掌握ABAQUS/CAE的以下功能。

l在Material模块中，定义膨胀系数。

l在Load模块中，使用预定义场（Predefined Field）来定义温度场。

8.2.1 实例描述

铁轨模型如图8-1所示，在夏天，铁轨很容易受环境温度的影响而发生变形。一般当铁轨温度超过45℃时，铁轨就可能发生形变，下面将对

这一实例进行分析。假设铁轨的初始温度为15℃，分析当温度升至45℃时铁轨的受力状态，铁轨的膨胀系数为1.18×10-5。

8.2.2 创建部件

（1）启动ABAQUS/CAE，进入Part模块，单击工具区中的Create Part图标，弹出Create Part对话框，在Name文本框中输入“Part-tiegui”，设置Modeling Space为3D，再依次选择Deformable、Solid和Extrusion，如图8-2所示，然后单击Continue按钮。

（2）单击工具区中的图标，根据图8-3所示，绘制顶点坐标分别为（0,120）、（35,120）、（38,88）、（12,88）、（12,28）、（60,24）、（60,0）及（0,0）的封闭多边形。

（3）在视图区单击鼠标中键，弹出Edit Base Extrusion（编辑拉伸属性）对话框，设置Depth（拉伸长度）为130，如图8-4所示，单击OK按钮，完成部件的创建。

8.2.3 定义材料属性

（1）在工作区上方的Module下拉列表框中选择Property选项，进入材料属性编辑界面。单击工具区中的Create Material图标，弹出EditMaterial对话框，默认名称为Material-1，在Material Behaviors（材料行为）选项组中依次选择Mechanical→Elasticity→Elastic选项。此时，在下方出现的数据表中依次设置Young’s Modulus为210000，Poisson’sRatio为0.3，保持其余参数不变，如图8-5（a）所示。

（2）再为材料定义膨胀系数，在Material Behaviors选项组中依次选择Mechanical→Expansion（膨胀）选项。在数据表的Expansion Coeff下输入“1.18e-5”，如图8-5（b）所示，最后单击OK按钮。

8.2.4 定义和指派截面属性

（1）单击工具区中的Create Section图标，弹出Create Section对话框，默认名称为Section-1，其他选项保持不变，如图8-6所示，单击Continue按钮。弹出Edit Section对话框，在Material下拉列表框中选择Material-1选项，如图8-7所示，单击OK按钮。

（2）单击工具区中的Assign Section图标，在视图区选择整个模型，单击提示区的Done按钮（或在视图区单击鼠标中键），弹出EditSection Assignment对话框，在Section下拉列表框中选择Section-1选项，如图8-8所示，单击OK按钮。

8.2.5 定义装配

在Module下拉列表框中选择Assembly选项，单击工具区中的CreateInstance图标，弹出Create Instance对话框，保持各项默认值，如图8-9所示，单击OK按钮。

8.2.6 设置分析步

（1）在Module下拉列表框中选择Step选项，进入分析步编辑界面。单击工具区中的Create Step图标，弹出Create Step对话框，分析步名称默认为Step-1，保持各项默认值，如图8-10所示。

（2）单击Continue按钮，进入Edit Step对话框，保持各项默认值，如图8-11所示，单击OK按钮。

8.2.7 定义集合、边界条件

（1）在Module下拉列表框中选择Load选项，进入载荷编辑界面。选择菜单栏中的Tools→Set→Manager命令，弹出Set Manager对话框，单击Create按钮，依次创建下列集合。

lSet-Fix集合：铁轨上施加固支边界条件的端面，如图8-12（a）所示。

lSet-Symm集合：铁轨上施加对称约束的端面，如图8-12（b）所示。

定义完毕后，创建的集合出现在Set Manager对话框中，如图8-13所示。

（2）单击工具区中的Create Boundary Condition图标，弹出CreateBoundary Condition对话框，在Name文本框中输入“BC-Fix”，设置Step为Initial，如图8-14所示，单击Continue按钮。在提示区单击Sets按钮，弹出Region Selection对话框，选择Set-Fix，如图8-15所示，单击Continue按钮。在弹出的Edit Boundary Condition对话框中选中ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)单选按钮，如图8-16所示。

（3）用同样的方法创建边界条件BC-Symm，设置Step为Initial，在Region Selection对话框中选择Set-Symm，在Edit Boundary Condition对话框中选中ZSYMM(U3=UR1=UR2=0)单选按钮。单击工具栏中的Boundary Condition Manager图标，可以看到，刚才创建的边界条件已列于表中，如图8-17所示。

8.2.8 定义温度场

（1）在Load模块下，使用预定义场来定义初始温度场（15℃）。进入Load模块，在菜单栏中选择Predefined Field→Manager命令，单击Create按钮，弹出Create Predefined Field对话框，设置Step为Initial，Category为Other，Types for Selected Step为Temperature（温度），如图8-18所示，单击Continue按钮。选中整个铁轨，在视图区单击鼠标中键，弹出Edit Predefined Field对话框，不改变默认参数Distribution:Direct specification，在Magnitude文本框中输入初始温度值15，如图8-19所示，然后单击OK按钮。

提示：如果希望读入传热分析结果文件中的温度场，则应在Edit Field对话框中将参数Distribution改为From results or output database file（来自结果或输出数据库文件），然后在File name（文件名称）文本框中输入传热分析结果文件名称，在Step文本框中输入分析步编号，在Increment文本框中输入时间增量步编号。

（2）使用预定义场来使模型的温度升高至45℃，在Predefined FieldManager对话框中单击分析步Step-1下面的Propagated，然后单击Edit按钮，在弹出的Edit Predefined Field对话框中，Status默认值为Propagated，设置Status为Modified（可更改），Magnitude为45，如图8-20所示，再单击OK按钮。

8.2.9 划分网格

在Module下拉列表框中选择Mesh选项，进入网格功能界面，在窗口顶部的环境栏中设置Object为Part:Part-tiegui。此时部件为黄色，可直接通过扫掠方式生成网格。

1．设置全局种子

单击工具区中的Seed Part图标，弹出Global Seeds对话框，设置Approximate global size为8，如图8-21所示，单击OK按钮。此时提示区出现“Seeding definition complete”，单击后面的Done按钮完成种子定义。

2．定义网格属性

单击工具区中的Assign Mesh Controls图标，弹出Mesh Controls对话框，设置Element Shape为Hex，Technique为Sweep，Algorithm为Advancing front，如图8-22所示，单击OK按钮。

3．设定单元类型

单击工具区中的Assign Element Type图标，选中整个铁轨，在视图区单击鼠标中键，弹出Element Type对话框，设置Geometric Order为Quadratic，其他选项保持默认值，此时的单元类型为C3D20R，如图8-23所示，单击OK按钮。

4．划分网格

单击工具区中的Mesh Part图标，此时提示区出现“OK to mesh thepart？”，单击Yes按钮对部件进行网格划分，如图8-24所示。

8.2.10 提交分析作业

（1）在Module下拉列表框中选择Job选项，单击工具区中的JobManager图标，弹出Job Manager对话框，单击Create按钮，弹出CreateJob对话框，设置Name为Job-tiegui，如图8-25所示，单击Continue按钮。弹出Edit Job对话框，保持各默认值不变，单击OK按钮。

（2）此时新创建的作业显示在Job Manager对话框中，如图8-26所示。单击工具栏中的按钮来保存所建的模型，然后单击Submit按钮提交分析。

（3）单击Monitor按钮，弹出Job-tiegui Monitor窗口，可以通过该窗口查看分析过程中的警告信息，如图8-27所示。分析完成后，单击JobManager对话框中的Results按钮，进入Visualization模块。

8.2.11 后处理

单击工具区中的Plot Contours on Deformed Shape图标来显示Mises应力的云纹图，如图8-28所示。

由本节实例可以看出，在ABAQUS中进行热应力分析的方法非常简单，定义膨胀系数、初始温度场和分析步中的温度场即可。

（内容、图片来源：《ABAQUS 2020有限元分析从入门到精通》，侵删）

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