两物体间的摩擦生热分析

两物体相对转动过程中的摩擦生热分析

摘要：有限元分析方法是随计算机的发展而迅速发展起来的在计算数学、计算力学和计算工程科学领域的先进计算方法。其中的热分析可以识别出系统或部件的温度分布及其他热物理参数，为系统的结构分析以及结构特性的优化设计提供依据。文章利用有限元软件对两物体相对转动过程中的摩擦生热进行了有限元热-结构耦合分析，计算了模型的温度场以及热应力场，并通过对结果的分析对零件结构进行了说明，为该结构的实际应用提供了设计依据。

关键字：有限元ANSYS 热结构耦合分析

1.有限元思想及ANSYS简介

有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是20世纪50年代首先在连续力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快就广泛地用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

1.1. 有限元法简介

1.1.1.有限元法的基本思想

有限元分析计算的思路和作法可归纳如下：

1. 物理离散化

将某个工程结构离散为由各种连接单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态要根据需要和计算精度而定。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样的材料由众多单元以一定方式连接成的离散物体。一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。

2. 单元特性分析

（1）选择未知量模式

在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。

（2）分析单元的力学性质

根据单元的材料、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步，也是有限元法的基本步骤之一。

（3）计算等效节点力

对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。

3. 单元组集

利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按照原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程。

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4. 求解未知节点位移

求解有限元方程式（上式）得出位移。

可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。

1.1.

2.有限元法的基本要素

构成有限元系统的3个基本要素是节点、单元和自由度：

节点（Node）：节点是构成有限元系统的基本对象，也就是整个工程系统中的最基本点。它包含了坐标位置以及具有物理意义的自由度信息。

单元（Element）：单元是由节点与节点相连而成，是构成有限元系统的基础。一个有限元系统中必须有至少一个以上的单元。单元和单元之间由各个节点相互连接。

自由度（DOF，Degree Of Freedom）：包括系统自由度和节点自由度。整个系统的自由度，在分析中需要进行适当的约束，系统的每个节点都有各自的节点坐标系和对应的节点自由度，对于不同的单元上的节点，具有不同的自由度。

1.1.3.有限元法的分析步骤

有限元分析是物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。通过分析对象划分网络，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。

ANSYS分析过程中包含三个主要步骤。

1.创建有限元模型

（1）创建或读入几何模型

（2）定义材料属性

（3）划分网格（节点及单元）

2.施加载荷并求解

（1）施加载荷及载荷选项、设定约束条件

（2）求解

3.查看结果

（1）查看分析结果

（2）检验结果（分析是否正确）

1.2. ANSYS软件简介

1.2.1.ANSYS软件的发展历史

ANSYS是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利，以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行。从PC到工作站，直至巨型计算机，ANSYS 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS是第一个集成计算机流体动力学功能的软件，也是唯一一个包括多物理场分析功能软件。

ANSYS是Analysis SYStem的缩写，是一种广泛性的商业套装工程分析软件。它由世界上著名的有限元分析软件公司ANSYS开发，它能与大多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是实现现代产品设计中的高级CAD工具之一。

该软件从1971年的2.0版本至现在的12.0版本，已有近40年的历史。目前已有许多国际化大公司以ANSYS作为其标准。

1.2.2.ANSYS软件的基本功能

ANSYS的基本功能有：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、计算流体动力学分析、声场分析、压电分析等，高级功能有多物理场耦合分析、优化设计、拓扑优化等。

热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件、锻造、铸造等。

ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导