温度场的分析

8.2.1　温度场的分析

1）部件（Part）模块

（1）创建部件

在ABAQUS/CAE环境下，点击左侧工具区（Create Part）按钮，弹出Create Part对话框，将Name设为pavement－temperature，将Modeling Space设为2DPlanar，Type设为Deformable，Base Feature设为Shell，将Approximate size设为20，点击按钮，ABAQUS自动进入Sketch绘图环境。

点击左侧工具区（Create lines：Connected）按钮，在提示区输入（0，0）（实际输入时不需要括号，下同），按Enter键确认；分别继续在提示区输入（3.75，0）、（3.75，3）、（0，3）、（0，0），再按Enter键确认。按Esc键，再点击提示区中的按钮，ABAQUS自动退出绘图环境。

（2）剖分部件

用鼠标左键按住左侧工具区图标不放，稍等片刻，在弹出的系列图标中选择（Create Datum Point：Offset From Point）按钮，在视图区中选择模型最左上点，在提示区输入（0，－0.04，0），按Enter键确认。按照同样的方法，仍以此点为偏移基准点，分别在提示区中输入（0，－0.10，0）、（0，－0.18，0）、（0，－0.58，0）、（0，－0.78，0），分别按Enter键确认。

按照同样的方法，再次选择按钮，在视图区中选择模型顶端中点，在提示区输入（0.064，0，0），按Enter键确认。按照同样的方法，仍以此点为偏移基准点，分别在提示区中输入（0.25，0，0）、（－0.064，0，0）、（－0.25，0，0），分别按Enter键确认。

提示：上述数据点是为施加轴载准备的。按照载荷应力等效的原则，可将双圆均布载荷换算为矩形载荷：

按本书3.4.2节的方法，完成路面结构层的剖分（图8.3）。

图8.3　剖分后的路面结构

2）特性（Property）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择特性（Property）模块。

点击左侧工具区（Create material）按钮，弹出Edit material对话框，在Name后输入SMA。依次点击［General］→［Density］，将Mass Density设为2300；再依次点击［Thermal］→［Conductivity］，将Conductivity设为4680；再依次点击［Thermal］→［Specific Heat］，将Specific Heat设为924.9；点击按钮，完成材料SMA的创建。

按照相似的步骤，完成其他材料（Sup20、Sup25、BASE、SUBBASE、SUBGRADE）的创建。

点击左侧工具区（Create Section）按钮，弹出Create Section对话框，点击按钮。在弹出的Edit Section对话框中的后下拉框中选择SMA，点击按钮，完成截面Section－1的创建。

按照同样的步骤，完成其他材料截面的创建。

点击左侧工具区（Assign Section）按钮，在视图区中选择路面结构上层，再点击提示区的按钮，在弹出的Edit Section Assignment对话框中的后下拉框中选择Section－1，点击按钮完成SMA材料的定义。

3）装配（Assembly）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择装配（Assembly）模块，以创建装配件。

（1）部件实体化

点击左侧工具区（Instance Part）按钮，弹出Create Instance对话框，点击按钮，以完成部件的实体化。

（2）定义集合

依次点击菜单［Tools］→［Set］→［Create］，在弹出的Create Set对话框中的Name后输入asphalt，点击按钮，在视图区中选择三层沥青材料（即SMA、Sup20、Sup25），点击提示区中按钮完成集合asphalt的定义。

（3）定义面集合

依次点击菜单［Tools］→［Surface］→［Create］，在弹出的Create Surface对话框中的Name后输入film，点击按钮，在视图区中选择路面表面（线段），点击提示区中按钮完成面集合film的定义。

4）分析步（Step）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择分析步（Step）模块，以设置分析步。

点击左侧工具区（Create Step）按钮，弹出Create Step对话框，将Name设为steady heat transfer，并将Procedure type设为Heat transfer（图8.4），点击按钮；弹出Edit Step对话框，将Description设为steady heat transfer，将Response设为Steady－state，这时ABAQUS将弹出一个提示窗口，点击按钮，将Time period设为1E－010；点击按钮。

图8.4　分析步steady heat transfer的创建

按照类似的步骤，创建另一瞬态热传导分析步transit heat transfer。与上述过程不同的是，在Edit Step对话框中应将Description设为transit heat transfer，将Response设为Transient，将Time period设为24；同时在Incrementation选项卡中，应将Type设为Fixed，将Increment size设为0.5。

5）相互作用（Interaction）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择相互作用（Interaction）模块，以定义路面与周围大气进行热交换过程。

（1）Amplitude（定义幅值曲线）

依次点击菜单［Tools］→［Amplitude］→［Create］，弹出Create Amplitude对话框，将Name设为AMP－TA－7，将Type设为Tabular，点击按钮，弹出Edit Amplitude对话框，在Time/Frequency下的空格（第1行）中输入0，在Amplitude下的空格（第1行）中输入25.8；在Time/Frequency下的空格（第2行）中输入0.5，在Amplitude下的空格（第2行）中输入25.2；然后输入第3行相应的数据，所有数据输入完成后，点击按钮完成幅值AMP－TA－7的定义。

提示：上述幅值曲线定义的是路面表面温度1天24h的变化规律（表8.1）。实际上输入上述数据的最便捷办法，是将表8.1中的内容按照时间转换成49×2的表格，复制所有数据内容（49×2），然后切换到Edit Amplitude对话框，在Time/Frequency下的空格（第1行）中粘贴，这样可一次输入所有数据。

（2）Interaction（定义相互作用）

点击左侧工具区（Create Interaction）按钮，弹出Create Interaction对话框（图8.5），将Name设为surffilm，Type for Selected Step设为Surface film condition，点击按钮；点击提示区右侧的按钮，弹出Region Selection对话框，选择film，点击按钮；弹出Edit Interaction对话框，在Definition后的下拉框中选择User Subroutine，将Film coefficient设为1，将Sink temperature设为1，点击按钮，完成接触surffilm的定义。

图8.5　接触surffilm的定义

提示：用户子程序FILM的内容如下：

！　定义随时间变化的外界温度（第二类边界条件）

　　SUBROUTINE FILM（H，SINK，TEMP，KSTEP，KINC，TIME，NOEL，NPT，

　　　 1COORDS，JLTYP，FIELD，NFIELD，SNAME，NODE，AREA）

C

　　INCLUDE′ABA＿PARAM.INC′

C

　　DIMENSION H（2），TIME（2），COORDS（3），FIELD（NFIELD）

　　CHARACTER＊80SNAME

　v＝2.6　　　　　　　　　 ！v为日平均风速，m/s；

　hc＝3.7＊v＋9.4　　　　　！hc为对流系数，W/m²·℃，W＝J/s；

　H（1）＝3600＊hc　　　　 ！对流系数，J/（h·m²·℃）。

　H（2）＝0

　Tamax＝35.6　　　　　　　！！日最高气温，℃

　Tamin＝22.8　　　　　　　！！日最低气温，℃

　Ta＝（Tamax＋Tamin）/2 　！日平均气温，℃

　Tm＝（Tamax－Tamin）/2　 ！日气温变化幅度，℃

　w＝0.2618　　　　　　　　！频率，pi/12

　t0＝9　　　　　　　　　　！气温变化时间差，h

　SN1＝SIN（w＊（TIME（1）－t0））

　SN2＝SIN（2＊w＊（TIME（1）－t0））

　SINK＝Ta＋Tm＊（0.96＊SN1＋0.14＊SN2）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ！日气温变化（两个正弦函数的组合表达）

C

　RETURN

　END

按照类似的步骤创建接触surfradiate，如图8.6所示，应注意与接触surffilm的区别。在Edit Interaction对话框下方出现了一个提示：“The absolute zero temperature and Stefan－Boltzmann constant bust be specified in the Edit Model Attributes dialog.”

图8.6　接触surfradiate的定义

依次点击菜单［Model］→［Edit Attributes］→［Model－1］，弹出Edit Model Attributes对话框，在absolute zero temperature后输入－273，在Stefan－Boltzmann constant后输入2.041092E－04，点击按钮。

6）载荷（Load）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择载荷（Load）模块。

点击左侧工具区（Create Load）按钮，弹出Create Load对话框，将Name设为surfflux，将Types for Selected Step设为Surface heat flux（图8.7），点击按钮；弹出Region Selection对话框，选择film，点击按钮；弹出Edit Load对话框，将Distribution设为User－defined，将Magnitude设为1，点击按钮。

图8.7　太阳辐射的加载

提示：用户子程序DFLUX如下：

！定义随时间变化的热流（第一类边界条件）

　SUBROUTINE DFLUX（FLUX，SOL，KSTEP，KINC，TIME，NOEL，NPT，COORDS，

　1JLTYP，TEMP，PRESS，SNAME）

　INCLUDE′ABA＿PARAM.INC′

　DIMENSION FLUX（2），TIME（2），COORDS（3）CHARACTER＊80SNAME

C　user coding to define FLUX（1）and FLUX（2）

FLUX（2）＝0

Qs＝26.3E6　　　　　！！日太阳辐射总量，J/m²

c＝10.7　　　　　　 ！！日照时间，h

m＝12.0/c

q0＝0.131＊m＊Qs ！中午最大辐射，J/s·m²

w＝0.2618　　　　　 ！频率，pi/12

pi＝3.14159265

as＝0.90　　　　　　！！路面的太阳辐射吸收率

t＝TIME（1）－12

q＝q0/（m＊pi）

ak0＝q0/pi

sa0＝pi/（2＊m）

do k＝1，30

if（k＝＝m）then

　　　ak＝ak0＊（sin（（m＋k）＊sa0）/（m＋k）＋sa0）

else

　　ak＝ak0＊（sin（（m＋k）＊sa0）/（m＋k）＋sin（（m－k）＊sa0）/（m－k））

end if

　q＝q＋ak＊cos（k＊pi＊t/12）　！太阳辐射（Fourier级数表达式）

end do

FLUX（1）＝as＊q　　　　　　　　！进入路面的热流量

RETURN

END

由于ABAQUS调用用户子程序时，只允许使用一个＊.for文件，因此须将上述两个用户子程序FILM和DFLUX并入一个＊.for文件（pavement－temperature.for）中。

7）网格（Mesh）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择网格（Mesh）模块，并将环境栏上Object设为Part，即可为模型划分网格。

点击左侧工具区（Seed Part Instance）按钮，弹出Global Seeds对话框，将Approximate global size设为0.05，点击按钮；点击左侧工具区按钮不放，在随后出现的扩展工具栏上点击（Seed edge：Biased）按钮，在视图区中点击线段（点击位置均靠近模型中部），点击提示区按钮，此时视图区如图8.8所示，在提示区Bias ratio后输入2.0，按Enter键确认，在随后出现的Number of elements along the edges后输入15，按Enter键确认。

图8.8　Seed edge：Biased的用法

同理，点击（Seed edge：Biased）按钮，在试图区中选择模型下部区域（路面结构层中的土基）中的线段（点击位置均靠近模型上部），点击提示区按钮，在提示区Bias ratio后输入3.0，按Enter键确认，在随后出现的Number of elements along the edges后输入20，按Enter键确认。

点击左侧工具区（Assign Mesh Controls）按钮，在视图区中选择整个部件，点击提示区按钮，弹出Mesh Controls对话框，将Technique设为Structured，点击按钮，完成网格单元控制。

点击左侧工具区（Assign Element Type）按钮，弹出Element Type对话框。将Geometric Order设为Quadratic，将Family设为Heat Transfer，此时对话框中显示单元为DC2D8（8结点四边形热传导单元），点击按钮，完成单元的定义。

点击左侧工具区（Mesh Part Instance）按钮，点击提示区中的按钮，完成整个模型网格的划分（图8.9）。

图8.9　完成网格划分的路面结构模型

8）作业（Job）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择作业（Job）模块，创建并提交作业。

点击左侧工具区（Job Manager）按钮，弹出Job Manager对话框。点击按钮，弹出Create Job对话框，在Name后输入pavement－temperature，点击按钮；弹出Edit Job对话框，点击General选项卡，在User subroutine file下输入pavement－temperature.for，点击按钮；点击对话框右上角的按钮，ABAQUS将在当前工作目录生成名为pavement－temperature.inp的文件，并调用ABAQUS/Standard求解器进行计算。

计算完成后，点击按钮，ABAQUS将自动进入Visualization模块。可以查看热量在路面结构层中传递的过程。

依次点击菜单［File］→［Save As...］，弹出Save Model Database As对话框，在File Name后输入pavement－rutting.cae，点击按钮。