Schalenelemente

Was sind Schalenelemente?

Schalenelemente sind Elemente mit drei oder vier Knoten, die im dreidimensionalen Raum gebildet werden. Diese Elemente werden zum Modellieren der Wärmeübertragung in dünnen Strukturen des Schalentyps verwendet. Schalenelemente können über konvektive und radiative Lasten verfügen, die auf ihrer Oberfläche angegeben sind. Wärmeströme können auch direkt auf ihren Oberflächen angegeben sein. Bei Schalenelementen kann auch Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit auftreten.

Die höchste Flächennummer unter den Linien, die das Element definieren, bestimmt die Flächennummer des Elements.

Parameter von Schalenelementen

Bei Verwendung von Schalenelementen müssen Sie die Dicke des Bauteils im Dialogfeld Elementdefinition auf der Registerkarte Allgemein im Feld Dicke eingeben. Das Element wird als auf der Mittelebene des Schalenelements gezeichnet. Deshalb wird die Hälfte des eingegebenen Werts für Dicke über dem Element vorgestellt, während sich die andere Hälfte unterhalb der Mittelebene befindet. Geben Sie einen Wert für die Dicke ein, um die Analyse durchzuführen. Wenn die Schalenelemente aus einem Mittelflächennetz in der FEM-Editor-Umgebung erstellt wurden, ist eine Dicke bereits definiert. Die durchschnittliche Dicke von jeder Fläche im Modell wird berechnet und während der Analyse verwendet. Um dem gesamten Bauteil eine konstante Dicke zuzuweisen, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Konstante Dicke anwenden, und geben Sie den gewünschten Wert im Feld Dicke ein.

Abbildung 1: Stärke eines Schalenelements

Als Nächstes müssen Sie das Materialmodell für dieses Bauteil im Dropdown-Feld Materialmodell angeben. Wenn die Materialeigenschaften in allen Richtungen identisch und unabhängig von der Temperatur sind, wählen Sie die Option Isotrop. Wenn die Materialeigenschaften in allen Richtungen identisch und von der Temperatur abhängig sind, wählen Sie die Option Temperaturabhängig isotrop. Wenn die Materialeigenschaften entlang drei orthogonalen Achsen variieren und von der Temperatur unabhängig sind, verwenden Sie die Option Orthotrop. Wenn die Materialeigenschaften entlang drei orthogonalen Achsen je nach Temperatur variieren, verwenden Sie die Option Temperaturabhängig orthotrop.

Als Nächstes müssen Sie angeben, wie die Wärmeübertragung im Dropdown-Feld Wärmeflussberechnung berechnet wird. Wenn die Option Berechnet am Schwerpunkt ausgewählt ist, wird der Wärmestrom für dieses Bauteil aus den abgeleiteten Knotentemperaturen mithilfe des Gesetzes von Fourier 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. Die Wärmeströme an der Oberfläche sollten für alle Auswahlen gleich sein, damit die Verfeinerung des Finite-Element-Netzes ausreicht.

Wählen Sie als Nächstes die Integrationsreihenfolge für die Schalenelemente in diesem Bauteil in der Dropdown-Liste Integrationsreihenfolge. Wählen Sie für rechteckig geformte Elemente die Optionzweitrangig. 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 die geringste Integrationsreihenfolge, die zu akzeptablen Ergebnissen führt, verwendet werden, sodass die Verarbeitungszeit verkürzt wird.

Geben Sie als Nächstes eine Element-Knotennormale im Abschnitt Element-Normale an. Die Felder X-Koordinate, Y-Koordinate und Z-Koordinate in diesem Abschnitt werden verwendet, um die Element-Knotennormale für dieses Bauteil der Schalenelemente zu definieren. Die obere Seite eines Schalenelements zeigt immer vom Punkt der Element-Knotennormale weg. Dies wird verwendet, um zu bestimmen, welche Seite eines Schalenelements in einem Gehäuse mit Strahlung zwischen Körpern enthalten sein wird. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2: Festlegen der Element-Normalen

Die Kantenansicht des Schalenelements wird dargestellt.

Steuern der Ausrichtung von Schalenelementen

Wenn in diesem Teil der Schalenelemente ein beliebiges Materialmodell verwendet wird (außer isotrop oder temperaturabhängig isotrop), müssen Sie die Ausrichtung der Materialachsen 1, 2 und 3 auf der Registerkarte Ausrichtung im Dialogfeld Elementdefinition definieren. Es gibt zwei grundlegende Methoden, um dies zu erreichen.

Bei der ersten Methode wird eine der globalen Achsen als Materialachse 1 ausgewählt. Wenn Sie die Option Globale X-Richtung im Dropdown-Feld Materialachsenrichtung festgelegt mit auswählen, folgen die orthogonalen Materialachsen den Achsen X, Y und Z wie folgt:

Wenn Sie die Option Globale Y-Richtung im Dropdown-Feld Materialachsenrichtung festgelegt mit auswählen, folgen die orthogonalen Materialachsen den Achsen X, Y und Z wie folgt:

Wenn Sie die Option Globale Z-Richtung im Dropdown-Feld Materialachsenrichtung festgelegt mit auswählen, folgen die orthogonalen Materialachsen den Achsen X, Y und Z wie folgt:

Die zweite Methode ist die Auswahl der Option Räumliche Punkte im Dropdown-Feld Materialachsenrichtung festgelegt mit. Als Nächstes definieren Sie die Koordinaten für drei räumliche Punkte in der Tabelle Räumliche Punktkoordinaten. Wählen Sie danach den entsprechenden Index für die räumlichen Punkte in den Dropdown-Feldern Index des räumlichen Punkts 1, Index des räumlichen Punkts 2 und Index des räumlichen Punkts 3 aus. Materialachse 1 ist ein Vektor vom räumlichen Punkt im Dropdown-Feld Index des räumlichen Punktes 1 zum räumlichen Punkt im Dropdown-Feld Index des räumlichen Punktes 2. Materialachse 2 ist senkrecht zur lokalen Achse 1 und verläuft durch den räumlichen Punkt im Dropdown-Feld Index des räumlichen Punktes 3. Materialachse 3 wird als Kreuzprodukt aus Materialachse 1 und Materialachse 2 berechnet.

Achtung: Die räumlichen Punktkoordinaten werden von allen Bauteilen im Modell gemeinsam genutzt. Ändern Sie die Koordinaten in einem Bauteil, wirkt sich dies auf alle anderen Bauteile aus, die denselben räumlichen Punkt verwenden.

So verwenden Sie Schalenelemente

  1. Definieren Sie ein Einheitensystem.
  2. Vergewissern Sie sich, dass für das Modell der thermische Analysetyp verwendet wird.
  3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementtyp für das Bauteil, das ein Schalenelement sein soll.
  4. Klicken Sie auf den Befehl Schale.
  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 das Modell nicht mit dem Mittelflächen-Netzerzeuger erstellt wurde oder um eine Dicke für die Schalenelemente anzugeben, geben Sie diesen Wert im Feld Dicke an. Wenn das Modell mit dem Mittelflächen-Netzerzeuger erstellt wurde und Sie die Dicke des CAD-Volumenkörpermodells verwenden möchten, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Konstante Dicke anwenden.
  9. Wenn Sie die Strahlung von Körper zu Körper verwenden, bei der nur eine Seite der Schale beteiligt ist, legen Sie die Koordinate zum Definieren der Seite der Schale im Abschnitt Element-Normale fest. Die eingegebene Koordinate definiert eine Seite der Schale für die Strahlung von Körper zu Körper, bei der nur eine Seite beteiligt ist. Die obere Seite der Schale zeigt vom Punkt weg.
  10. Wenn Sie die Option Orthotrop oder Temperaturabhängig orthotrop in der Dropdown-Liste Materialmodell ausgewählt haben, klicken Sie auf die Registerkarte Ausrichtung, um die Materialachsen festzulegen.
  11. Drücken Sie die Taste OK.

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