Tetraederelemente

Was sind Tetraederelemente?

Dreidimensionale thermische Tetraederelemente sind isoparametrische oder subparametrische krummlinige Tetraeder mit 4 oder 10 Knoten, die im dreidimensionalen Raum formuliert sind.

Wärme fließt in allen drei Richtungen und wird daher als dreidimensionale Temperaturverteilung berechnet. Nur ein Freiheitsgrad ist für diese Elemente definiert, die Temperatur. Isotrope und temperaturabhängige orthotrope Materialmodelle können verwendet werden.

Anwenden von Flächenlasten

Beachten Sie beim Anwenden von Lasten auf eine Flächennummer eines Tetraederbauteils, 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 Flächennummer 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 zwei der drei Linien einer Flächendefinition gemeinsam haben, die Flächennummer dieser Fläche.

Tetraederelementparameter

Bei Verwendung der Tetraederelemente 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, Phasenänderung: Wenn es sich beim Typ der Analyse um eine transiente Wärmeübertragung handelt, ist die Option Isotrop, Phasenänderung verfügbar. Verwenden Sie dieses Materialmodell, wenn sich die Phase des Bauteils von fest in flüssig (Schmelzen) oder von flüssig in fest (Erstarren) ändern kann. Die Materialeigenschaften sind unabhängig von der Temperatur.
• Isotrop, Phasenänderung, temperaturabhängig: Wenn es sich beim Typ der Analyse um eine transiente Wärmeübertragung handelt, ist die Option Isotrop, Phasenänderung, temperaturabhängig verfügbar. Verwenden Sie dieses Materialmodell, wenn sich die Phase des Bauteils von fest in flüssig (Schmelzen) oder von flüssig in fest (Erstarren) ändern kann. Die Materialeigenschaften in der festen Phase und in 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. Weitere Informationen finden Sie unter 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. Führen Sie eine der folgenden Aktionen aus:
     • Anwenden von Temperaturen auf das Bauteil (siehe Thermische Analysen: Lasten und Abhängigkeiten: Temperatur) oder
     • Zuweisen einer vorgegebenen globalen Temperatur (siehe Thermische Analysen: Analyseparameter: Transiente Wärmeübertragung ).
  3. Legen Sie die Beziehung zur Bestimmung des Flüssigkeitsanteils fest (siehe Absatz Berechnen des flüssigen Anteils unter Thermische Analysen: Analyseparameter: Transiente Wärmeübertragung).
  4. Während der Lösung wird ein iterativer Prozess verwendet, wenn ein Phasenwechselmaterial enthalten ist. Die Konvergenztoleranzen müssen u. U. kleiner als gewöhnlich sein. Weitere Informationen finden Sie im Absatz Steuern von nichtlinearen Iterationen unter Thermische Analysen: 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 Tetraederelemente 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 Tetraederelement mit 4 Knoten in ein Tetraederelement mit 10 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.

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 Radiationslasten auf diesem Bauteil unter Verwendung derselben Methode wie die Option Nichtlinear auf Basis von Randbedingungen berechnet, mit der Ausnahme, dass der Wärmestrom auf Oberflächen mit Radiationslasten linearisiert wird.

Es ist nur erforderlich, die Option Nichtlinear auf Basis von Randbedingungen oder Linear auf Grundlage von BC zu verwenden, wenn die tatsächliche Wärmestromausgabe für die Radiations- oder Konvektions-Randbedingung 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.

Steuern der Ausrichtung von Tetraederelementen

Wenn in diesem Teil der Tetraederelemente 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 Tetraederelemente 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 1: Ausrichtung der Materialachsen

Grundlegende Schritte zur Verwendung von Tetraederelementen

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 Tetraederelement dienen soll.
4. Klicken Sie auf den Befehl Tetraeder.
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.