13第十三章 热分析与热固耦合分析

第十三章 热分析和热固耦合分析

LS-DYNA 除了强大的结构动力分析功能外，还可以进行稳态或瞬态的热分析，和热固

耦合分析，可以处理热传导、对流和辐射各种热问题，在焊接、冲压、锻压及碰撞等过程中

方便的考虑热问题（如塑性能转化为热能的问题）及热应力问题。

13.1 LS-DYNA 求解热问题所涉及到的关键字求解热问题所涉及到的关键字：：

*CONTROL_SOLUTION

*CONTROL_THERMAL_SOLVER

*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP

*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR

*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE_THERMAL

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL

*BOUNDARY_CONVECTION_OPTION

*BOUNDARY__FLUX_OPTION

*BOUNDARY_RADIATION_OPTION

*BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION

*BOUNDARY_THERMAL_WELD

*INITIAL_TEMPERATURE_OPTION

*LOAD_HEAT_GENERATION_OPTION

*PART

*MAT_THERMAL_OPTION

13.2 13.2 进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤进行热分析和热固耦合分析的步骤：：

13.2.1 LS 13.2.1 LS--DYNA 激活热分析的关键字激活热分析的关键字

*CONTROL_SOLUTION ：

212

典型的输入为：

把热材料与结构材料相连使用的是*PART

关键字：

其中的参数TMID 就是定义的热材料ID 号，而MID 就是定义的结构材料ID 号，它们的编

号可以一样，是不相干的。

要注意的是热材料只对体单元和壳单元有效，对梁单元和离散单元无效，即LS-DYNA

中梁单元和离散单元不能进行热分析或热固耦合分析。

13.2.3定义热边界条件定义热边界条件：：

热边界条件包括热传导、对流、辐射和温度边界条件，还可以考虑移动焊点的边界条件。

由下面的关键字进行定义：

*BOUNDARY_CONVECTION_OPTION

*BOUNDARY__FLUX_OPTION

*BOUNDARY_RADIATION_OPTION *BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION *BOUNDARY_THERMAL_WELD

典型的输入为：

213

13.2.4定义热初始条件定义热初始条件：：

有时需要定义热初始条件，如初始温度，使用的关键字是

*INITIAL_TEMPERATURE_OPTION 。

典型的输入是：

其中SID 代表热源的实体单元SET ID 号，LCID 代表加载的曲线ID 号，CMULT 代表缩放因子。

13.2.6定义热接触定义热接触：：

当有接触存在时，必须考虑热接触问题，LS-DYNA 可以定义3D 和2D 状态下的热接触问

题。

对于三维热接触，目前只能使用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL 关键字进

行定义。

典型的输入为：

与结构分析中定义接触一样，对于热分析和热固耦合分析，只要在结构分析接触定义的基础

上，在关键字中增加THERMAL ，在第5行添加相关热特性参数：

cf ：在两接触物体空隙间（空气或流体）的导热系数

frad ：两接触物体间的辐射因子

htc ：两物体空隙间的热传导系数

gcrit ：最小的空隙条件（如两物体间的空隙小于该值，使用htc 值）

gmax:：最大的空隙量（若两物体间的空隙大于该值，则没有热接触）

214 对于二维热接触（如轴对称问题、平面应变问题等），目前只能使用下面关键字进行定义。

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE_THERMAL

*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL

典型的输入为：

其中的相关热性参数与三维热接触定义一样。

13.2.7控制热求解器相关参数控制热求解器相关参数：：

对于热分析或热固耦合分析，可以控制这种分析是稳态分析还是瞬态分析，是线性问题

还是非线性问题，选择什么样的热求解器及热分析的时间步长问题等。由下面的关键字来控

制：

*CONTROL_THERMAL_SOLVER

*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP

*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR

典型的输入为：

其中相关参数说明：

ATYPE ：热分析的分类

0：稳态分析

1：瞬态分析

PTYPE ：热问题是线性还是非线性的

0：线性问题

1或2：非线性问题，需要定义*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR 关键字

FWORK ：塑性变形能转化为热能的百分比，使用该参数可以在冲压或锻压成型过程中考虑

塑性变形能转化为热能的问题。

TS：时间步的设置：

0：固定时间步长

1：可变时间步长（可增加或减少，由程序控制）

在实际求解过程中，可能有时会遇到收敛困难等问题，需要调整相关求解控制参数。

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215

13.3轴对称热挤压问题示例

下面为一简单示例，一个轴对称的挤压问题，可以在做挤压分析的同时考虑热问题，即

进行热固耦合分析，工件的温度为400度，模具为20度，结果如下：

某时刻的应力情况：

同时刻的温度情况：

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8

*KEYWORD

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8

*TITLE

THERMAL EXTRUSION $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8

$ $

$ CONTROL CARD $

$ $

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8

*CONTROL_ADAPTIVE

$ ADPFREQ ADPTOL ADPOPT MAXLVL TBIRTH TDEATH LCADP IOFLAG

0.00010 0.0020 8 4 0.01.0000E+23 0

$ ADPSIZE ADPASS IREFLG ADPENE ADPTHE MEMORY ORIENT MAXEL

1.0000E+23 0 0 0.0 0.0 0 0 0

*CONTROL_TIMESTEP

$ DTINIT TSSFAC ISDO TSLIMT DT2MS LCTM ERODE MS1ST

0.0 0.90 0 0.0

$ DT2MSF

*CONTROL_TERMINATION

$ ENDTIM ENDCYC DTMIN ENDENG ENDMAS

40.0 0 0.0 0.0

*CONTROL_SOLUTION

$ SOLN

2

*CONTROL_THERMAL_SOLVER

$ ATYPE PTYPE SOLVER CGTOL GPT EQHEAT FWORK SBC

1 1 3 0.00010

*CONTROL_THERMAL_TIMESTEP

$ TS TIP ITS TMIN TMAX DTEMP TSCP

0.0000201.0000E-08

*CONTROL_THERMAL_NONLINEAR

$ REFMAX TOL DCP

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8

$ $

$ DATABASE CONTROL FOR ASCII $

$ $

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8

*DATABASE_GLSTAT

$ DT

216

0.040

*DATABASE_MATSUM

$ DT

0.040

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ DATABASE CONTROL FOR BINARY $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_BINARY_D3PLOT

$ DT/CYCL LCDT BEAM NPLTC

0.40 0 0

*DATABASE_BINARY_D3THDT

$ DT/CYCL LCDT

0.040

*DATABASE_BINARY_D3DUMP

$ DT/CYCL

2.6780E+07

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ DATABASE EXTENT CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_EXTENT_BINARY

$^

$ NEIPH NEIPS MAXINT STRFLG SIGFLG EPSFLG RLTFLG ENGFLG 0 0 3 1 1 1 1 1 $ CMPFLG IEVERP BEAMIP DCOMP SHGE STSSZ N3THDT

0 0 4 0 0 0 2

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ DATABASE FORMAT CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_FORMAT

$ IFORM IBINARY

0 0

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ PART CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *PART

$HEADING

217PART 1 FOR MAT 1 AND ELEM TYPE 1

$ PID SECID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 1 1 1 0 0 1 *PART

$HEADING

PART 2 FOR MAT 2 AND ELEM TYPE 1

$ PID SECID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 2 1 2 0 2 2 *PART

$HEADING

PART 3 FOR MAT 1 AND ELEM TYPE 1

$ PID SECID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 3 1 3 0 0 1 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ SECTION CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SECTION_SHELL

$^SEC0001

$ SECID ELFORM SHRF NIP PROPT QR/IRID ICOMP SETYP 1 15 1.0 3 0.0 0.0 0 1 $ T1 T2 T3 T4 NLOC MAREA

0.0 0.0 0.0 0.0 0

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ MATERIAL CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *MAT_RIGID

$^MAT0001

$ MID RO E PR N COUPLE M ALIAS 1 0.0000027 21.0 0.30 0.0 0.0 0.0 0.0 $ CMO CON1 CON2

1.0 6.0 7.0

$LCO_OR_A1 A2 A3 V1 V2 V3

0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

*MAT_RIGID

$^MAT0002

$ MID RO E PR N COUPLE M ALIAS 3 0.0000027 21.0 0.30 0.0 0.0 0.0 0.0 $ CMO CON1 CON2

1.0 7.0 7.0

$LCO_OR_A1 A2 A3 V1 V2 V3

2180.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

$^MAT0003

$ MID RO E PR SIGY ETAN BETA

2 0.0000027 0.21 0.30 0.0020 0.00201 0.0

$ SRC SRP FS VP

0.0 0.0 0.0 0.0

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ THERMAL MATERIAL CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *MAT_THERMAL_ISOTROPIC

$^MAT0001

$ TMID TRO TGRLC TGMULT

1 0.0000027

$ HC TC

460.0 0.000046

*MAT_THERMAL_ISOTROPIC

$^MAT0002

$ TMID TRO TGRLC TGMULT

2 0.0000027

$ HC TC

460.0 0.000046

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ NODE SET CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SET_NODE_LIST

$^

$ SID DA1 DA2 DA3 DA4

10 0.0 0.0 0.0 0.0

$ NID1 NID2 NID3 NID4 NID5 NID6 NID7 NID8 10 1 3 *SET_NODE_LIST

$^

$ SID DA1 DA2 DA3 DA4

20 0.0 0.0 0.0 0.0

$ NID1 NID2 NID3 NID4 NID5 NID6 NID7 NID8

20 2 *SET_NODE_GENERAL

10

PART,1,3

219*SET_NODE_GENERAL

20

PART,2

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ PART SET CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SET_PART_LIST

$^

$ SID DA1 DA2 DA3 DA4

11 0.0 0.0 0.0 0.0

$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 1 *SET_PART_LIST

$^

$ SID DA1 DA2 DA3 DA4

22 0.0 0.0 0.0 0.0

$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 1 2 3 *SET_PART_LIST

$^

$ SID DA1 DA2 DA3 DA4

33 0.0 0.0 0.0 0.0

$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 3 *SET_PART_LIST

$^

$ SID DA1 DA2 DA3 DA4

44 0.0 0.0 0.0 0.0

$ PID1 PID2 PID3 PID4 PID5 PID6 PID7 PID8 2 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ BOUNDARY PRESCRIBED CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID

$^

$ PID DOF VAD LCID SF VID DEATH BIRTH 1 2 2 1 1.0 0.0 0.0 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ INITIAL TEMPERATURE CARDS $

220$ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *INITIAL_TEMPERATURE_SET

$^

$ NSID TEMP

10 20.0

*INITIAL_TEMPERATURE_SET

$^

$ NSID TEMP

20400.0

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ CONTACT CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_THERMAL

$ PSIDS PSIDM SFACT FREQ FS FD DC MEMBS 22 0 1.0 50 0.0 0.0 0.0 6 $ TBIRTH TDEATH SOS SOM NDS NDM IPFLG CPFLG 0.0 1.000E+20 1.0 1.0 0 0 0 0 ,,1.e6, 1.e-2, 2.e-2

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ LOAD CURVE CARDS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DEFINE_CURVE

$^

$ LCID SIDR SFA SFO OFFA OFFO DATTYP

1 0 1.0 1.0 0.0 0.0 0

$ A1 O1

0.0 0.0

0.0401 -0.10

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ NODE INFORMATION $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *NODE

$ NID X Y Z TC RC

1 0.0 -30.0 0.0 0.0 0.0

2 -0.00007450581 -60.0 0.0 0.0 0.0

3 -0.00001490116 -35.0 0.0 0.0 0.0

4 -0.00002235174 -40.0 0.0 0.0 0.0

2215 -0.00004470348 -45.0 0.0 0.0 0.0

6 -0.00005215406 -50.0 0.0 0.0 0.0

7 -0.00007450581 -55.0 0.0 0.0 0.0

8 99.99 -60.00025 0.0 0.0 0.0

9 4.9949 -60.00002 0.0 0.0 0.0

10 9.95 -60.00002 0.0 0.0 0.0

11 14.9849 -60.00004 0.0 0.0 0.0

12 19.9799 -60.00005 0.0 0.0 0.0

13 24.9749 -60.00006 0.0 0.0 0.0

14 29.969 -60.00008 0.0 0.0 0.0

15 34.99 -60.00009 0.0 0.0 0.0

16 39.9599 -60.0001 0.0 0.0 0.0

17 44.9549 -60.00011 0.0 0.0 0.0

18 49.949 -60.00013 0.0 0.0 0.0

19 54.9449 -60.00014 0.0 0.0 0.0

20 59.9399 -60.00015 0.0 0.0 0.0

21 .9349 -60.00016 0.0 0.0 0.0

22 69.92992 -60.00018 0.0 0.0 0.0

23 74.9249 -60.00019 0.0 0.0 0.0

24 79.9199 -60.0002 0.0 0.0 0.0

25 84.9149 -60.00021 0.0 0.0 0.0

26 .9099 -60.00023 0.0 0.0 0.0

27 94.904 -60.00024 0.0 0.0 0.0

28 99.9 -30.00025 0.0 0.0 0.0

29 99.99 -55.00025 0.0 0.0 0.0

30 99.99 -50.00025 0.0 0.0 0.0

31 99.9 -45.00025 0.0 0.0 0.0

……

$---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ ELEMENTS INFORMATION $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ $ $ SHELL ELEMENTS $ $ $ $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *ELEMENT_SHELL

$ EID PID NID1 NID2 NID3 NID4

1 1 1 3 53 52

2 1

3

4 72 53

3 1

4

5 91 72

4 1

5

6 110 91

222

5 1

6

7 129 110

6 1

7 2 9 129

7 1 52 53 54 51

8 1 53 72 73 54

9 1 72 91 92 73

10 1 91 110 111 92

11 1 110 129 130 111

12 1 129 9 10 130

13 1 51 54 55 50

14 1 54 73 74 55

15 1 73 92 93 74

16 1 92 111 112 93

17 1 111 130 131 112

18 1 130 10 11 131

19 1 50 55 56 49

20 1 55 74 75 56

21 1 74 93 94 75

22 1 93 112 113 94

23 1 112 131 132 113

24 1 131 11 12 132

25 1 49 56 57 48

26 1 56 75 76 57

27 1 75 94 95 76

28 1 94 113 114 95

29 1 113 132 133 114

30 1 132 12 13 133

31 1 48 57 58 47

32 1 57 76 77 58

……

*END

223