四面体单元

什么是四面体单元？

三维热四面体单元是在三维空间中形成的四节点或十节点等参或子参曲线四面体。

计算所有三个方向上的热流量，从而计算三维温度分布。仅为这些单元定义一个自由度，即：温度。可使用各向同性和温度相关正交各向异性材料模型。

应用表面载荷

将载荷应用到四面体部件的表面编号时，请注意，某些模型可能不会使面上的所有直线都加载到同一表面编号上。此时会发生什么情况？如果模型源自 CAD 实体模型，则无论直线的表面编号如何，与 CAD 模型表面重合的所有面都将接收载荷。在手动构建的模型中以及经更改后部件不再与 CAD 部件关联的 CAD 部件上，构成某个面的三条直线中的任意两条直线共有的表面编号将决定该面的表面编号。

四面体单元参数

使用四面体单元时，必须在“单元定义”对话框的“材料模型”下拉框中指定此部件的材料模型。可用的选项如下所示：

• 各向同性：如果所有方向上的材料属性都相同，请选择“各向同性”选项。这些属性也与温度无关。
• 各向同性，相变：如果分析类型是“瞬态热传递”，则可使用“各向同性，相变”选项。如果部件有可能从固相更改为液相（融化）或从液相更改为固相（冻结），请使用此材料模型。材料属性与温度无关。
• 各向同性，相变，温度相关：如果分析类型是“瞬态热传递”，则可使用“各向同性，相变，温度相关”选项。如果部件有可能从固相更改为液相（融化）或从液相更改为固相（冻结），请使用此材料模型。固相和液相中的材料属性与温度相关。
• 正交各向异性：如果材料属性沿三条正交轴发生变化但不随温度变化，请选择“正交各向异性”选项。如果选择，则您将能够使用“方向”选项卡定位材料轴（请参见下面的说明）。
• 温度相关各向同性：如果所有方向上的材料属性都相同但随温度变化，请选择“温度相关各向同性”选项。
• 温度相关正交各向异性：如果材料属性沿三条正交轴发生变化并随温度变化，请选择“温度相关正交各向异性”选项。如果选择，则您将能够使用“方向”选项卡定位材料轴（请参见下面的说明）。
  提示：

  除了将材料模型设置为包括相变效应以外，还需要设置以下各项：

  1. 材料属性（所有材料模型均需要）。请参见各向同性相变材料属性页面。
  2. 初始温度。对于瞬态热传递分析，除了设置初始温度这一常规要求以外，发生相变（固相和液相）或介于两相之间的部件初始状态完全基于或部分基于初始温度。请执行以下操作之一：
     • 将初始温度应用于部件（请参见“热分析：载荷与约束”页面：温度），或
     • 指定默认全局温度（请参见“热分析：分析参数”页面：瞬态热传递）。
  3. 设置用于确定液体拉力的关系（请参见“热分析：分析参数：” 瞬态热传递页面中的“计算液体拉力”段落）。
  4. 如果包括相变材料，则会在求解期间使用迭代过程。收敛容差可能需要小于惯用值。请参见“热分析：分析参数”页面：瞬态热传递上的“控制非线性迭代”段落。
  注： 尽管相变可以包括在瞬态热传递分析中，但流体运动不会考虑。例如，冰块会融化成水，但水仍保留在相同的位置。在瞬态热传递分析中，因浮力效果或流体运动（例如，径流）而产生的热量不会传递。

若要激活此部件中四面体单元的中节点，请在“中节点”下拉框中选择“包括”选项。选择此选项后，块体单元将在每条边的中点处定义更多节点。（对于 CAD 实体模型的网格，中节点将遵循 CAD 表面的原始曲率，具体取决于创建网格之前选择的选项。对于手动构建的模型和已更改的 CAD 模型网格，中节点位于角节点之间的中点。）这会将四节点四面体单元更改为十节点四面体单元。带有中节点的单元有助于更精确地计算梯度。但是，带有中节点的单元会增加处理时间。若网格足够小，则中节点无法显著提高精确度。

接下来，必须在“热流计算”下拉框中指定如何计算热流量。如果选择“形心投影”选项，则将根据使用傅立叶定律得到的节点温度计算此部件的热通量。如果选择“基于 BC 的非线性”选项，则将使用对流或辐射边界条件的输入参数和得到的节点温度计算此部件上具有对流或辐射载荷的外表面的热通量。内部面的热通量不受此选项的影响。如果选择“基于 BC 的线性”选项，则使用与“基于 BC 的非线性”选项相同的方法计算此部件上具有对流或辐射载荷的外表面的热通量，不同的是，具有辐射载荷的表面上的热通量将会线性化。

如果需要输出辐射或对流边界条件的实际热通量，则只需使用“基于 BC 的非线性”或“基于 BC 的线性”选项即可。实际热流量基于表面通量。对于充分细化的有限元网格，所有选项的表面热通量应该相等。

控制四面体单元的方向

如果此四面体单元部件使用正交各向异性材料模型，则需要在“单元定义”对话框的“方向”选项卡中定义材料轴 1、2 和 3 的方向。

四面体单元的材料轴是 r、s 和 t 轴。这些轴通过在“方向节点 1”、“方向节点 2”和“方向节点 3”字段中指定三个节点来定义。您必须先在“结果”环境中检查模型，以确定节点编号。

• r 轴定义为从“方向节点 1”到“方向节点 2”的矢量。
• s 轴垂直于 r 轴；位于由节点 1、2 和 3 形成的平面中；与“方向节点 3”位于 r 矢量的同一侧。
• t 轴是 r 轴和 s 轴的叉积。

图 1：材料轴的方向

使用四面体单元的基本步骤

1. 确保已定义单位制。
2. 确保模型使用热分析类型。
3. 对于要成为四面体单元的部件，请在其“单元类型”标题上单击鼠标右键。
4. 选择“四面体”命令。
5. 在“单元定义”标题上单击鼠标右键。
6. 选择“编辑单元定义”命令。
7. 在“材料模型”下拉框中，为此部件选择适当的材料模型。
8. 如果在“材料模型”下拉框中选择了“正交各向异性”选项，请单击“方向”选项卡，然后指定用于定义材料轴的节点。
9. 按“确定”按钮。