Quaderelemente

Was sind Quaderelemente?

Dreidimensionale thermische Quaderelemente sind Elemente mit 4, 5, 6 und 8 Knoten, formuliert im dreidimensionalen Raum. Die Festlegung, aus wie vielen Knoten ein bestimmtes Element besteht, erfolgt automatisch anhand der Verbindung der Linien. Sie müssen nicht festlegen, wie viele Knoten auf dem Element vorhanden sind. Ein Modell, das aus 3D-Quadern besteht, kann eine Mischung von Quadern mit 4, 5, 6 und 8 Knoten enthalten.

Abbildung 1: Quaderelemente

Wärme fließt in allen drei Richtungen und wird daher als dreidimensionale Temperaturverteilung berechnet.

Nur ein Freiheitsgrad ist für diese Elemente definiert, die Temperatur. Temperaturabhängige orthotrope Materialeigenschaften können definiert werden.

Anwenden von Flächenlasten

Beachten Sie beim Anwenden von Lasten auf eine Flächennummer eines Quaderbauteils, dass einige Modelle nicht alle Linien auf der Fläche zum Laden auf der gleichen Flächennummer haben. Was geschieht in dieser Situation? Wenn das Modell aus einem CAD-Volumenkörpermodell stammt, erhalten alle Flächen, die mit der Oberfläche des CAD-Modells übereinstimmen, die Last, unabhängig von der Oberflächennummer der Linien. In manuell erstellten Modellen und auf CAD-Bauteilen, die so geändert wurden, dass das Bauteil nicht mehr mit dem CAD-Bauteil verknüpft ist, definiert die Flächennummer, die drei der vier Linien einer Flächendefinition gemeinsam haben (Vier-Knoten-Bereich) oder zwei der drei Linien (Drei-Knoten-Bereich) die Flächennummer dieser Fläche.

Quaderelementparameter

Bei Verwendung der Quaderelemente geben Sie das Material für dieses Bauteil in die Dropdown-Liste Materialmodell des Dialogfeldes Elementdefinition ein. Die verfügbaren Optionen lauten wie folgt:

• Isotrop: Wenn die Materialeigenschaften in allen Richtungen identisch sind, verwenden Sie die Option Isotrop. Diese Eigenschaften sind auch unabhängig von der Temperatur.
• Isotrop, Phasenwechsel: Wenn der Analysetyp Transiente Wärmeübertragung ist, dann ist die Option Isotrop, Phasenwechsel verfügbar. Verwenden Sie dieses Materialmodell, wenn das Bauteil die Phase von fest zu flüssig (Schmelzen) oder von flüssig zu fest (Frieren) ändern könnte. Die Materialeigenschaften sind unabhängig von der Temperatur.
• Isotrop, Phasenwechsel, temperaturabhängig: Wenn der Analysetyp Transiente Wärmeübertragung ist, dann ist die Option Isotrop, Phasenwechsel, temperaturabhängig verfügbar. Verwenden Sie dieses Materialmodell, wenn das Bauteil die Phase von fest zu flüssig (Schmelzen) oder von flüssig zu fest (Frieren) ändern könnte. Die Materialeigenschaften in der festen Phase und der flüssigen Phase sind temperaturabhängig.
• Orthotrop: Wenn die Materialeigenschaften entlang drei orthogonaler Achsen variieren, jedoch unabhängig von der Temperatur, verwenden Sie die Option Orthotrop. Wenn diese Option ausgewählt ist, können Sie die Materialachsen mit der Registerkarte Ausrichtung (siehe Beschreibung unten) ausrichten.
• Temperaturabhängig isotrop: Wenn die Materialeigenschaften in allen Richtungen identisch sind, sich jedoch je nach Temperatur ändern, verwenden Sie die Option Temperaturabhängig isotrop.
• Temperaturabhängig orthotrop: Wenn die Materialeigenschaften entlang drei orthogonaler Achsen je nach Temperatur variieren, verwenden Sie die Option Temperaturabhängig orthotrop. Wenn diese Option ausgewählt ist, können Sie die Materialachsen mit der Registerkarte Ausrichtung (siehe Beschreibung unten) ausrichten.
  Tipp:

  Zusätzlich zum Festlegen des Materialmodells, um die Auswirkungen des Phasenwechsels zu berücksichtigen, müssen die folgenden Objekte festgelegt werden:

  1. Materialeigenschaften, wie bei allen Materialmodellen erforderlich. Siehe Seite Einrichten und Durchführen der Analyse: Thermisch: Materialeigenschaften: Materialeigenschaften für isotropischen Phasenwechsel.
  2. Ausgangstemperaturen. Zusätzlich zu der normalen Anforderung, die Ausgangstemperatur für eine transiente Wärmeübertragungsanalyse festzulegen, basiert die Anfangsphase des Bauteils mit einer Phasenänderung von fest, flüssig oder einem dazwischen liegenden Phasenzustand auf der Ausgangstemperatur. Wenden Sie entweder die Ausgangstemperaturen auf das Bauteil an (siehe Seite Einrichten und Durchführen der Analyse: Thermisch: Lasten und Abhängigkeiten: Temperatur), oder weisen Sie eine standardmäßige globale Temperatur zu (siehe Seite Einrichten und Durchführen der Analyse: Thermisch: Analyseparameter: Transiente Wärmeübertragung).
  3. Legen Sie die Beziehung zur Bestimmung des Flüssigkeitsanteils fest (siehe Absatz Berechnen des flüssigen Anteils auf der Seite Einrichten und Durchführen der Analyse: Thermisch: Analyseparameter: Transiente Wärmeübertragung).
  4. Ein iterativer Prozess wird während der Lösung verwendet, wenn ein Material mit Phasenänderung enthalten ist. Die Konvergenztoleranzen müssen u. U. kleiner als gewöhnlich sein. Weitere Informationen finden Sie unter dem Absatz Steuern von nichtlinearen Iterationen auf der Seite Einrichten und Durchführen der Analyse: Thermisch: Analyseparameter: Transiente Wärmeübertragung.
  Anmerkung: In der transienten Wärmeübertragungsanalyse kann zwar eine Phasenänderung enthalten sein, aber die Bewegung der Flüssigkeit wird nicht berücksichtigt. Ein Eiswürfel kann z. B. schmelzen und zu Wasser werden, aber das Wasser bleibt an derselben Stelle. Es gibt keine Übertragung von Wärme aufgrund von Auftriebseffekten oder Bewegung der Flüssigkeit (z. B. Abfließen) in einer transienten Wärmeübertragungsanalyse.

Wenn Sie möchten, dass für die Quaderelemente in diesem Bauteil die Mittelknoten aktiviert werden, wählen Sie die Option Einbezogen in der Dropdown-Liste Mittelknoten aus. Wenn diese Option ausgewählt ist, haben die Quaderelemente zusätzliche Knoten in der Mitte jeder Kante definiert. (Bei Netzen von CAD-Volumenkörpermodellen folgen mittlere Knoten der ursprünglichen Krümmung der CAD-Oberfläche, abhängig von der gewählten Option, bevor das Netz erstellt wurde. Bei handgefertigten Modellen und geänderten CAD-Modellnetzen befindet sich der mittlere Knoten in der Mitte zwischen Eckknoten.) Dadurch wird ein Quaderelement mit 8 Knoten in ein Quaderelement mit 20 Knoten geändert. Ein Element mit mittleren Knoten führt zu genaueren berechneten Abstufungen. Elemente mit mittleren Knoten verlängern die Verarbeitungszeit. Wenn das Netz ausreichend klein ist, wird mit den Mittelknoten u. U. kein wesentlich genaueres Ergebnis erzielt.

Wählen Sie als Nächstes den Integrationsgrad für die Quaderelemente in diesem Bauteil in der Dropdown-Liste Integrationgrad aus. Für rechteckig geformte Elemente wählen Sie die Option zweitrangig aus. Für leicht verformte Elemente wählen Sie die Option3. Ordnung. Für extrem verformte Elemente wählen Sie die Option 4. Ordnung. Die Berechnungszeit für die Formulierung der Elementsteifigkeit erhöht sich mit der dritten Potenz der Integrationsreihenfolge. Aus diesem Grund sollte der niedrigste Integrationsgrad, der zu akzeptablen Ergebnissen führt, verwendet werden, um die Verarbeitungszeit zu verkürzen.

Als Nächstes müssen Sie in der Dropdown-Liste Wärmestromberechnung angeben, wie der Wärmestrom berechnet wird. Wenn die Option Berechnet am Schwerpunkt ausgewählt ist, wird der Wärmestrom für dieses Bauteil aus den abgeleiteten Knotentemperaturen über das Fouriersche Gesetz berechnet. Wenn die Option Nichtlinear auf Basis von Randbedingungen ausgewählt ist, wird der Wärmestrom für Außenflächen mit Konvektions- oder Radiationslasten auf diesem Bauteil unter Verwendung der Eingabeparameter für die Konvektions- oder Radiations-Randbedingungen und der abgeleiteten Knotentemperaturen berechnet. Der Wärmestrom für die Innenflächen wird durch diese Option nicht beeinflusst. Wenn die Option Linear auf Grundlage von BC ausgewählt ist, wird der Wärmestrom für Außenflächen mit Konvektions- oder Strahlungslasten auf dieses Bauteil mit der gleichen Methode wie bei der Option Nicht-linear auf Grundlage von BC berechnet, mit der Ausnahme, dass der Wärmestrom auf Oberflächen mit Strahlungslasten linearisiert wird.

Die Optionen Nicht-linear auf Grundlage von BC oder Linear auf Grundlage von BC sind nur erforderlich, wenn die tatsächliche Wärmestromausgabe für die Strahlungs- oder Konvektionsrandbedingung gewünscht wird. Die tatsächliche Wärmeübertragung basiert auf den Oberflächeströmen. Für ein ausreichend verfeinertes endliches Elementnetz müssen die Wärmeströme an der Oberfläche für alle Auswahlen gleich sein.

Wenn Sie möchten, dass zwei oder mehr andere Bauteile in diesem Modell Wärme durch Strahlung von Körper zu Körper durch dieses Bauteil austauschen, wählen Sie die Option Transparent in der Dropdown-Liste Körper-zu-Körper-Strahlung aus. Dies ist besonders nützlich in einer Analyse für stationäre gekoppelte Strömung mit Wärme, in der zwei Volumenkörper durch das Fluidbauteil Wärme austauschen.

Steuern der Ausrichtung der Quaderelemente

Wenn in diesem Teil der Quaderelemente ein orthotropisches Materialmodell verwendet wird, müssen Sie die Ausrichtung der Materialachsen 1, 2 und 3 auf der Registerkarte Ausrichtung im Dialogfeld Elementdefinition definieren.

Die Materialachsen für Quaderelemente sind die Achsen R, S und T. Diese Achsen werden definiert, indem Sie drei Knoten in den Feldern Ausrichtung Knoten 1, Ausrichtung Knoten 2 und Ausrichtung Knoten 3 angeben. Sie müssen zunächst das Modell in der Ergebnisanzeige überprüfen, um die Knotennummern zu bestimmen.

• Die R-Achse ist als der Vektor von Ausrichtung Knoten 1 zu Ausrichtung Knoten 2 definiert.
• Die S-Achse ist senkrecht zur R-Achse, liegt in der durch die Knoten 1, 2 und 3 gebildeten Ebene und befindet sich auf der gleichen Seite des R-Vektors wie Ausrichtung Knoten 3.
• Die T-Achse ist das Kreuzprodukt der Achsen R und S.

Abbildung 2: Ausrichtung der Materialachsen

So verwenden Sie Quaderelemente

1. Vergewissern Sie sich, dass ein Einheitensystem definiert ist.
2. Vergewissern Sie sich, dass das Modell eine thermische Analyseart verwendet.
3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementtyp für das Bauteil, das als Quaderelement dienen soll.
4. Klicken Sie auf den Befehl Quader.
5. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementdefinition.
6. Wählen Sie den Befehl Elementdefinition bearbeiten.
7. Wählen Sie das geeignete Materialmodell für dieses Bauteil im Dropdown-Feld Materialmodell aus.
8. Wenn Sie die Option Orthotrop in der Dropdown-Liste Materialmodell ausgewählt haben, klicken Sie auf die Registerkarte Ausrichtung, und geben Sie die Knoten für die Materialachsen an.
9. Klicken Sie auf die Schaltfläche OK.

Übergeordnetes Thema: Volumenkörperelemente