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结构力学仿真软件：ADINA：热结构耦合分析技术教程

1结构力学仿真软件：ADINA：热结构耦合分析技术

1.1ADINA软件概述

ADINA(AutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysis)是一款由美国

ADINA系统公司开发的高级有限元分析软件，广泛应用于结构力学、流体动力

学、热力学以及多物理场耦合分析等领域。自1982年首次发布以来，ADINA不

断更新迭代，其强大的求解器和用户友好的界面使其成为工程分析和设计的首

选工具。

1.1.1热结构耦合分析的重要性

在许多工程应用中，结构的温度变化会直接影响其力学性能，反之亦然。

例如，发动机部件在高温下会经历热膨胀，这可能导致结构应力的增加；同时，

结构的变形又会影响热传导路径，进而改变温度分布。这种相互作用在设计和

分析中不可忽视，热结构耦合分析能够准确预测这种复杂行为，确保工程结构

在实际工作条件下的安全性和可靠性。

1.2热结构耦合分析原理

热结构耦合分析基于能量守恒和动量守恒的原理，通过求解热传导方程和

结构力学方程的耦合系统来实现。在ADINA中，热传导方程描述了温度随时间

和空间的变化，而结构力学方程则描述了结构的变形和应力。耦合分析的关键

在于迭代求解这两个方程，直到达到一个稳定的解，即温度和结构响应同时满

足各自的平衡条件。

1.2.1热传导方程

热传导方程通常表示为：

∂

=∇⋅+

∂

其中，是材料的密度，是比热容，是温度，是热导率，是热源。在

ADINA中，用户可以定义这些材料属性，并指定初始温度和边界条件。

1.2.2结构力学方程

结构力学方程基于牛顿第二定律，表示为：

2

∂

=∇⋅

∂

1

其中，位移，应力，是外力。温度变化引起的热膨胀效应通过修

改材料的弹性模量和泊松比来考虑，从而影响应力和位移的计算。

1.3热结构耦合分析内容

热结构耦合分析在ADINA中涉及以下关键内容：

1.材料属性定义：用户需要输入材料的热物理和力学属性，如热导

率、比热容、弹性模量和泊松比。

2.网格划分：创建有限元模型，网格的精细程度直接影响分析的准

确性和计算效率。

3.边界条件设置：定义热边界条件（如对流、辐射和热源）和力学

边界条件（如固定、载荷）。

4.初始条件：设定初始温度和位移。

5.求解设置：选择求解器类型（如直接求解器或迭代求解器），并设

定求解参数。

6.结果后处理：分析温度、位移、应力和应变等结果，评估结构的

热力学性能。

1.3.1示例：热结构耦合分析

假设我们正在分析一个在高温下工作的金属板，需要考虑热膨胀对结构应

力的影响。以下是一个简化的ADINA输入文件示例：

*ADINA

*PARAMETERS

rho=7850.0,c=500.0,k=50.0,E=200e9,nu=0.3

*HEADING

ExampleofThermal-StructuralCouplingAnalysis

*BEGINMODEL

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,1.0,0.0,0.0

3,1.0,1.0,0.0

4,0.0,1.0,0.0

*ELEMENT

1,1,2,3,4,PLANE4

*MATERIAL

1,SOLID,E,nu,r