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结构力学实践论文复现！ABAQUS仿真冰块的热传递和融化过程

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

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作者 | 力学AI有限元仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

近期，全球多起结构失效、热致破坏、材料老化事故引发行业高度关注：西班牙栈道因锈蚀坍塌、航天贮箱水压测试失效、高温储罐热变形开裂，无一不在提醒我们 ——温度场、动力响应、材料损伤是决定结构安全的核心命脉。结构动力学与热‑力耦合仿真，早已从课堂理论变成守护工程安全的关键技术。

西班牙桑坦德市El Bocal海滨栈道发生惨烈坍塌，6名学生不幸遇难。司法指定的鉴定专家在实地勘察后得出结论：事故直接原因是支撑次级梁的金属连接件因严重腐蚀失去截面强度，最终在垂直剪切力作用下断裂，导致木结构主梁与次梁的连接失效。

曾几何时，作为长期在高校指导学生开展结构力学仿真大作业、毕业论文的研究者，我常看到不少同学陷入同样困境：会用 Abaqus 建模型、画网格，却讲不清动力响应、热传导、相变失效背后的力学机理；能跑出应力云图、位移曲线，却写不出有理论深度的分析段落；子程序、ALE 网格、耦合分析等高阶功能更是无从下手，论文缺乏硬核支撑。

为此，这篇《高温模拟下冰块的热传递和融化过程》结构力学实践论文 —— 以 Abaqus 为工具，结合Umeshmotion 子程序 + ALE 自适应网格 + 温度‑位移耦合，完整复现高温环境中冰块热传导、相变、体积缩减、应力演化全过程。文章从科学问题、子程序解析、建模流程、结果分析到总结，形成一套可直接对标课程设计、毕业论文的标准范式。以下是正文：

为了更好的帮助学习者掌握结构动力学理论与实践技能，我在仿真秀官网制作一套视频课程《工程类专业和结构仿真必修课13讲——全解结构动力学核心理论与实践技能》，详情见后文。

科学问题提出

材料失效是工程与力学中普遍存在的现象，指材料 / 结构在应力、温度、腐蚀等外部作用下丧失设计功能，与物理断裂的 “破坏” 不同，失效侧重功能损失，包含强度、疲劳、蠕变、腐蚀、磨损等多种类型，主要机理为断裂、变形、磨损、腐蚀，受材料缺陷、工艺问题及环境等因素影响。

ABAQUS 具备完善的材料损伤与失效模拟能力，提供金属、复合材料、混凝土等专用失效模型，并支持Umeshmotion 子程序与ALE 自适应网格，可实现烧蚀、磨损等外形变化仿真，还能通过 UMAT/VUMAT 自定义材料本构。

结合我们课题组液体流动仿真需求与课堂静力、热分析、薄膜脱粘等基础，本研究以高温下冰块融化为对象，利用Umeshmotion+ALE 网格 + 热‑力耦合，开展多维度仿真探究：模拟热传导 / 对流 / 辐射机制、分析融化动力学与体积变化、获取温度场分布、评估温度相关物性变化、考虑环境影响、计算热应力、复现相变过程，并实现多物理场耦合分析，验证 ABAQUS 在液体 / 相变与动态形貌演化仿真中的可行性。

问题描述

为冰块融化仿真，模拟高温下，冰块的热传递和融化过程。通过仿真可以得到冰块的体积不断减少的过程。主要用到Abaqus提供的Umeshmotion子程序。

材料属性

子程序Umeshmotion

ABAQUS的子程序主要是使用Fortran语言编写的，IVF（Intel Visual Fortran）是常用的Fortran编译器之一。本文内容所用的程序如下：

SUBROUTINE Umeshmotion(UREF,ULOCAL,NODE,NNDOF,*    LNODETYPE,ALOCAL,NDIM,TIME,DTIME,PNEWDT,*    KSTEP,KINC,KMESHSWEEP,JMATYP,JGVBLOCK,LSMOOTH)C      INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'C      DIMENSION ULOCAL(NDIM),JELEMLIST(100)      DIMENSION ALOCAL(NDIM,*),TIME(2)      DIMENSION JMATYP(*),JGVBLOCK(*)      DIMENSION ARRAY(1000)C LTRN指定输出坐标系，0为全局坐标系，1为局部坐标系      LTRN=0      CALL GETVRN(NODE,'NT',ARRAY,JRCD,JGVBLOCK,LTRN)      LSMOOTH = 1      ULOCAL(NDIM)=ULOCAL(NDIM)-0.05*ARRAY(1)**2/10000.0      IF(LNODETYPE .EQ. 4)ULOCAL(NDIM) = ULOCAL(NDIM)*1.35      RETURN      END

该模型采用的节点移动准则是节点随温度变化，在倒数第四行代码，节点随着正比于温度平方的速度沿着全局坐标系3方向进行移动。该程序虽短，但也具备了完备的Umeshmotion的功能，要点在于构造ULOCAL变量的变化关系。

Umeshmotion子程序变量解释：

1、ULOCAL：自适应网格约束节点的网格位移或速度的组成部分，这些组成部分都在坐标系ALOCAL中已有描述。ULOCAL将作为由网格平滑算法确定的值传递到程序中。网格位移或速度的所有组件将被应用; 即您无法选择应用网格位移的方向。

2、UREF：作为自适应网格约束定义的一部分提供的、用户指定的位移或速度的值。该值基于任何幅度定义来更新，并用于与当前步骤相关联的自适应网格约束或默认斜坡幅度变量。

3、NODE：节点编号。

4、NNDOF：节点自由度数。

5、LNODETYPE：节点类型标志

LNODETYPE=1表明节点是位于自适应网格区域的内部；
LNODETYPE=2表明节点涉及绑定约束；
LNODETYPE=3表明节点位于自适应网格区域边界的拐角处；
LNODETYPE=4表明节点位于自适应网格区域边界的边缘；
LNODETYPE=5表明节点位于自适应网格区域边界的平面上；
LNODETYPE=6表明节点作为主节点参与约束（不是绑定约束）；
LNODETYPE=7表明节点作为从节点参与约束（不是绑定约束）；
LNODETYPE=10表明节点上作用了一个集中力。

6、ALOCAL：本地坐标系与节点处的自适应网格域的切线对齐。如果节点位于自适应网格域的内部，则ALOCAL将被设置为单位矩阵。在其他情况下，1方向是沿着平坦表面的边缘或平面。当NDIM=2时，2方向与表面正交。当NDIM=3时，2方向也位于平面的平面上，如果节点在边缘上，则该方向是任意的。当NDIM=3时，3方向垂直于表面，或者如果节点处于边缘，则为任意的。

7、NDIM：坐标维数。

8、TIME(1)：当前分析步时间的值。

9、TIME(2)：当前总时间的值。

10、DTIME：时间增量。

11、KSTEP：分析步编号。

12、KINC：增量步编号。

13、KMESHSWEEP：网格扫略数量。

14、JMATYP：必须传递到GETVRMAVGATNODE实用程序中以访问节点上的本地结果的变量。

15、JGVBLOCK：必须传递到GETVRN，GETNODETOELEMCONN和GETVRMAVGATNODE实用程序才能访问节点上的本地结果的变量。

关于utility subroutine等详细信息可参考官方帮助文档。

建模前置

和以往课程里教学不同一点在于，本案例需要使用到ABAQUS的子程序调用，接下来简单介绍ABAQUS子程序调试。ABAQUS为用户提供了丰富而又灵活的用户子程序接口（USER SUBROUTINE），使得用户能够更灵活地解决一些问题，同时拓展了ABAQUS的功能。然而仅仅安装ABAQUS软件并不能直接使用到用户子程序的接口，需要关联两个软件Visual Studio（VS）和Intel visual Fortran（IVF）。

1.安装前置软件

安装Visual Studio 2015 和 Intel visual Fortran 2016及ABAQUS软件。（需要先安装Visual Studio 2015 再安装 Intel visual Fortran2016 ，因为fortran运行器不能单独运行，需要安装在VS平台上，且这样IVF就能自动加载到VS的环境中，Intel visual Fortran的版本需要比Visual Studio 版本更高，ABAQUS的版本也需要适配，如下图，但安装顺序无要求，本内容的各应用版本为：Visual Studio 2015 和Intel visual Fortran 2016及ABAQUS 2024，仅供参考。）

图常用的VS与IVF版本匹配

2.三软件关联

安装好软件之后，就是进行这三款软件的关联。使用Everything软件搜索Launcher.bat文件，注意需要是Abaqus下的这个文件，不是其他软件的。打开文件路径，使用记事本打开文件，进行修改Launcher.bat文件。

首先打开是只有以下两行内容的：

@echo offcall "F:\Abaqus2024\SIMULIA\Commands\abq2024.bat" %*

在这两行内容前添加vcvarsall.bat和ifortvars.bat文件的路径（使用Everything软件搜索，这两个文件在电脑中是唯一的），即添加以下两行内容，中间的路径依据个人修改，建议是复制自己的路径。

@call "F:\VS2016\VC\vcvarsall.bat" x64@call "F:\IVF\compilers_and_libraries_2016.1.146\windows\bin\ifortvars.bat" intel64 vs2015

保存退出即可。

3.验证子程序

在计算机“开始”界面找到“Dassault Systemes SIMULIA Established Products 2024”里的“Abaqus Verification”，右键找到文件所在位置，以管理员方式打开，即可进行验证。验证完毕后出现的日志文件中各项指标都是Pass即代表成功了。

PS：我在此过程中遇到的问题：在搜寻vcvarsall.bat文件时，发现Unable to find vcvarsall.bat问题，这可能是下载vs时没有插件组选择上有缺漏，也可能是因为没有选C++桌面平台开发。网上的各种方法尝试并没有成功，找不到网上方法所对应的工具项，但我选择了对Visual Studio 2015 进行了重安装，选择修复，并勾选上VC++模块，才解决了这个问题。以上内容操作我是参考了锦衣夜行老师的视频讲解和网上各种资料。

建模步骤

创建部件

图1 采用 Standard/Explicit模型

创建部件Part-1

图3 绘制圆心(0，0)，半径50的圆

图4 设置深度100

2. 创建材料和截面属性

图5 编辑材料属性-传导率为1；密度为1e-9kg/mm3；杨氏模量1000；泊松比0.3；基本温度为20℃下膨胀系数1e-6；比热1e9

图6 创建截面Section-1，类别为“实体”、类型为“均质”，应用于材料Material-1指派截面

图7 选择整个模块进行指派截面

图8 指派截面后在“工具”-“set”-“管理器”中创建“集”.

图9 创建设置集

3. 定义装配件

图10 创建实例

4. 设置分析步

图11 创建分析步-选择温度-位移耦合

图12 编辑分析步-设置时间长度为500，几何非线性“开”

图13 设置增量步，最大增量步数设置为10000，增量步大小为10

图14 历程输出请求编辑-作用域为“集”，输出变量为VOLC，仅由自适应网格划分引起的面积或体积的改变

5. 调用子程序

图15 调用子程序，创建ALE自适应网格区域

图16 对分析步Step-1进行ALE自适应网格控制编辑设置频率：1，对每个增量步重划扫掠网格：4每4个增量步重划扫掠一次网格

图17 创建ALE自适应网格约束-选择“速度/角速度”

图18 选择Part-1-1，Set-all

图19 选择使用用户定义的子程序，即后续用到的Umeshmotion子程序

6. 设置载荷与边界条件

图20 创建边界条件-对位移固定

图21 选择对底面进行固定

图22 创建边界条件BC-2，选择类别为温度

图23 仍是对底面进行设置边界条件

图24 编辑好边界条件后

7. 划分网格

图25 设置网格控制属性，算法选用中性轴算法

图26 设置全局种子为10

图27 为部件划分网格

图28 指派单元类型，选择温度-位移耦合

8. 定义相互作用条件

图29 创建相互作用，选择表面热交换条件

图30 选择作用区域为除底面外区域

图31 设置膜层散热系数为0.2，环境温度为100

图32 已设置好的表面热交换条件相互作用

9. 提交作业

图33 创建作业Job-1

图34 调用用户子程序 ice.for

结果分析

图35 作业运行监视

图36 S,Mises应力的0步长

图37 S,Mises应力的第10、100、200、300、400、500步长

图38 GRADT,Magnitude 最大处可达2.188e+01

图39 HFL,Magnitude 最大处可达2.188e+01

图40 HFL,在x,y,z方向

图41 LE Max,Principal，LE Mid,Principal，LE Min,Principal

图42 NT11 最大处达95.73

图43 RF,Magnitude 接触力变化

图44 RF,RF1,2,3 三个主方向上的接触力变化，说明在y轴方向上无

图45 U,Magnitude 位移变化

图46 U,U1,U2,U3 x,y,z三个主方向上的位移自由度

图47 冰块体积随时间的变化

总结

通过复刻案例，验证了ABAQUS是能够进行液体性质模拟的。本作业主要应用Umeshmotion子程序模拟高温下冰块的热传递和融化过程。使用ALE自适应网格控制，调用Umeshmotion子程序，来模拟高温下冰块的热传递和融化过程。得到应力、位移等性质变化云图，并且可通过可视化-动画-时间历程来动态的查看变化过程，后续将附以更加实际、复杂的条件，真实的模拟出冰块的融化过程情况，并进行分析。还有很多内容我还并不了解和理解，期待后续能够进一步学习使用有限元分析软件，用于项目课题中。

最后，如果你也想：

打通结构动力学理论→Abaqus 仿真→论文写作全链路；
系统掌握振动、模态、动力响应、连续体、数值方法；
搞定热‑力耦合、界面脱粘、材料损伤、子程序等高阶技能；

推荐你学习这门专为工程人打造的系统课：工程类专业和结构仿真必修课 13 讲 —— 全解结构动力学核心理论与实践技能。

五、工程类专业和结构仿真必修课程

结构动力学作为工程领域的一门重要学科，对于工程师和科研人员来说具有重要的应用价值。通过科学的学习方法和策略以及技术章程的指导，我们可以有效地掌握这门学科并提升自己的实践能力和创新能力。希望本指南能够为初学者在学习结构动力学的过程中提供一定的帮助和启示。

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