ABAQUS热应力分析实例详解

热应力分析实例详解

学习要点

通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：

1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；

2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；

实例1：带孔平板的热应力分析

定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steel

Mechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比

定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steel

Mechanical——Expansion, 输入线胀系数

定义边界条件——Load

定义边界条件——Load

定义边界条件——Load

固支边界条件

使用预定义场定义初始温度

Load——Predefined

Field Manager

使用预定义场使模型温度升高至120℃

网格划分——Mesh

结果分析——Visualization

小结

在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数

⏹定义初始温度场

⏹定义分析步中的温度场

实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：

◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，

其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，

然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应

力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。

◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭

转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的

耐磨性。

实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。

法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料

的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，

线胀系数为1.35e-5/ ℃。

要求：模拟分析感应淬火所产生的残余

应力场，并分析此残余应力场在缓和应

力集中方面所起的作用。

建模要点说明

☐使用ABAQUS可以模拟感应淬火的完整过程，即通过分析工件与感应器之间以及工件和冷却液之间的传热过程来确定工件的温度场，从而得到相应的塑性应变场和冷却后的残余应力场。

这一模拟过程较复杂，下面介绍一种模拟残余应力的简化方法。

☐设置整个模型的初始温度为20℃，在分析步令淬硬层的温度升高至某一温度值T

(例如120℃)，其余区域温度仍保持20℃。

high

这种温度差异会使高温区产生压应力，相当于所要模拟的残余

，使法兰盘内圆角表压应力。经几次试算即可找到合适的T

high

面的压应力与试验结果大致吻合。施加工作载荷时，仍保持上述温度场不变，就可以模拟在残余应力作用下的应力场了。

☐上述方法的优点是比较简便，不必进行复杂的传热分析和热弹塑性分析，并且通用性强，可用于模拟各种不同工艺所产生的残余应力场，但其缺点是模拟精度不高，通过选择T

high

只能保证工件局部区域的压应力值较准确。

☐一种改进的方法就是为淬硬层的不同区域设定不同的温度

值T

high

，从而得到与试验结果更加接近的残余应力场。☐本实例中，为简单起见，只为整个淬硬层设定单一的温度

值T

high =120℃。

建模要点说明

几何建模

CAD平面图

几何建模

Part

12mm

旋转轴

几何建模

几何建模

定义材料属性——Property

E=210 000

=0.3

Expansion=1.03e-5

网格划分——Mesh 淬硬层以外区域:

Element type: Hex-dominated Technique: Sweep

Algorithm: Advancing front

淬硬层:

Element type: Hex

Technique: Sweep

Algorithm: Medial axis

(选中Minimize the mesh transition)

设置分析步——step

⏹1）第一个分析步HighTemper-Noload: 令淬硬层区域温度升

高至120℃，其余区域温度仍保持20℃，不施加外载荷；

⏹2）第二个分析步HighTemper-WithLoad:保持上述温度场不

变（相应的残余应力也不会变），施加外载荷；

⏹3）第三个分析步LowTemper-WithLoad：令整个工件的温

度都变为20℃（即去掉残余应力），保持外载荷不变，从而得到没有残余应力时的应力场，用来与第二个分析步的结果相比较。

边界条件——Load 一端固定

边界条件——Load

施加载荷——Load

p=100MPa

定义温度场——Load

定义温度场——Load

淬硬层

2020

120120

后处理

1）查看残余应力的模拟结果

1）查看残余应力的模拟结果

第一个分析步σminiP = 416.17MPa

与残余压应力的试验结果420MPa 基本吻合！565号节点