Numerical simulation of thermo-mechanical problems by coupling ABAQUS® and FLUENT®

• Autores: Alpha Verónica Pernía Espinoza, Francisco Javier Martínez de Pisón Ascacíbar, Fernando Alba Elías, Ana González Marcos, Marina Corral Bobadilla
• Localización: X Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos: Valencia, 13-15 Septiembre 2006. Actas / Asociación Española de Ingenieria de Proyectos (AEIPRO) (aut.), Universitat Politècnica de València (aut.), International Project Management Association (aut.), 2006, ISBN 84-9705-987-5, págs. 646-656
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Simulación numérica de problemas termo-mecánicos acoplando ABAQUS® y FLUENT®
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• Resumen
  • español

    El problema termo-mecánico estudiado en este artículo es tal que la evolución de la temperatura define la respuesta de las tensiones, pero el campo de temperaturas no depende del campo de las tensiones. Por tanto, la historia de las temperaturas puede ser calculada mediante un análisis térmico desacoplado y luego ser introducida, como un campo predefinido, en un análisis de tensiones. El software ABAQUS® posee esta capacidad pero es bastante limitada a la hora de definir un modelo térmico realista. FLUENT® en cambio es un software ampliamente utilizado para realizar análisis de flujo de fluidos y transferencia de calor, con una amplia capacidad para definir las características termodinámicas de los procesos. El problema estudiado se refiere al enfriamiento de un rail ranurado (Ri60). Este tipo de raíles presentan una geometría transversal constante pero su sección poseen diferentes espesores. Tales asimetrías hacen que el enfriamiento no sea uniforme y se desarrollen tensiones térmicas, que podrían llegar a ser mayores que la tensión de fluencia del material a altas temperaturas. Esta situación origina que el rail se curve y se desarrollen tensiones residuales. A través de un modelo térmico de Elementos Finitos (EF) desarrollado en FLUENT® pudimos obtener la historia de las temperaturas de los nodos del rail de una forma realista. Seguidamente, se introdujeron estos resultados en el modelo de tensiones de EF creado en ABAQUS®. Sin embargo, este enfoque originó la necesidad de comunicar FLUENT® y ABAQUS®. Para ello desarrollamos un programa de conversión de resultados (denominado ‘conv_flu_abq’), utilizando programación Shell de Linux; R® y C. A través de estas herramientas fue posible crear un código de conversión eficiente en tiempos y memoria empleada. En este artículo presentamos el desarrollo y la estructura de este código así como también resultados que demuestran su funcionamiento adecuado.

  • English

    The type of thermo-mechanical problem studied in this article is such that the thermal evolution of the problem affects the stress response, but the temperature field does not depend on the stress field. Consequently, the temperature history can be calculated in an uncoupled thermal analysis and, afterwards, introduced as a predefined field in the stress/displacement analysis. The software ABAQUS® has this capability but is quite limited when pretending to define a realistic thermal model. FLUENT® is used worldwide for robust simulation, visualization and analysis of fluid flow and heat transfer, with a wide capability for defining the thermodynamic characteristics of the processes. As a result more realistic thermal models can be accomplished using FLUENT®. The problem studied here was the cooling of a grooved rail (Ri60) in a cooling bed. These rails have constant cross-sectional geometries but different parts of the cross-sections have different thickness. Such asymmetry leads to non-uniform cooling and development of thermal stresses, which may be higher than the yield stress of the material at high temperatures. The situation leads to bending of the rail and development of residual stresses. Through the development of a Finite Element (FE) thermal-model in FLUENT® we could obtain more accurate temperature history of each rail’s nodes. Subsequently, these results were introduced into the FE-stressmodel created in ABAQUS®, to calculate the rail’s stresses and deformations. This procedure is called sequentially coupled thermal-stress analysis. Nevertheless, in doing so, we faced the need of communication between FLUENT® and ABAQUS®. To make it possible we developed a results-conversion-program (named ‘conv_flu_abq’), using Linux shell programming (using scripts awk); R® (GNU software) and C programming. Using these tools, the conversion code had time and memory efficient execution. The development and structure of the code is presented. The code was tested successfully and the results are also provided.