传统热力耦合计算方法与ABAQUS直接热力耦合对比研究

来源：计算力学学报杂志2025年第2期北京时间：

作者：苏雨茹,王鑫,李志辉,柳治辉,马强

单位：北京流体动力科学研究中心, 北京 100011,北京流体动力科学研究中心, 北京 100011,北京流体动力科学研究中心, 北京 100011,北京流体动力科学研究中心, 北京 100011,四川大学 数学学院, 成都 610043

摘要：准确预测航天器结构在强气动力/热环境下的结构热力耦合响应,对于航天器寿命末期陨落再入过程分析及再入轨迹预报等十分关键。结构热力耦合响应分析方面,不仅有学者们基于各种假设提出的有限元模拟方法,而且热力耦合计算模块已嵌入很多大型商业软件,然而条件假设和控制方程的不明确,导致无法确定商软计算结果的准确性和其适用性。本文对动态热力耦合基本控制方程进行了梳理,对其热传导方程中的耦合项和采用的假设进行了详细分析。通过典型算例计算结果对比发现,当初始温度为0时,ABAQUS的直接耦合计算和以传统热传导有限元基本方程为基础的有限元算法的计算结果有较大差异。对ABAQUS的热力耦合计算的基本控制方程进行了推导和推测,并建立了相应的有限元算法,通过算例计算结果进行了验证。研究结果表明,对于直接耦合,传统热传导有限元基本方程的耦合项只考虑了初始温度项,而ABAQUS则只考虑了温升项,两者的耦合项都不完全。当初始温度高于温升时,以传统热传导有限元基本方程为基础的传统热力耦合有限元算法的计算结果更准确,而当温升高于初始温度时,采用考虑温升项的有限元计算,如ABAQUS软件的直接耦合计算则更为适用。

关键词：热力耦合,顺序耦合,直接耦合,有限元算法,

基金资助：国家重点研发计划基金(2022YFA100510)资助项目.