块体单元

块体单元定义

三维热块体单元是在三维空间中构建的 4 节点、5 节点、6 节点和 8 节点单元。系统将根据直线的连接性自动确定构成给定单元的节点数。您无需执行任何操作即可指定单元上的节点数。由三维块体组成的模型可以包含 4 节点、5 节点、6 节点和 8 节点块体。

图 1：块体单元

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。您可定义与温度相关的正交各向异性材料属性。

应用表面载荷

请注意，在将载荷应用于块体单元的某个表面编号时，某些模型可能不会将该面上的所有直线加载到相同表面编号中。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。在手动构建的模型和经过更改以使该部件不再与 CAD 部件关联的 CAD 部件中，定义一个面的四条直线（四节点区域）中的任意三条或三条直线（三节点区域）中的两条所共有的表面编号将确定该面的表面编号。

块体单元参数

使用块体单元时，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均相同，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“各向同性，相变”选项将可用。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“各向同性，相变，温度相关”选项将可用。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（而非温度）发生变化，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”如果材料属性在所有方向上均相同，但是随温度发生变化，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并随温度发生变化，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. 设置用于确定液体分数的关系（请参见“热分析：分析参数”页面：瞬态热传递上的“计算液体分数”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。

如果要此部件中的块体单元激活中节点，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 8 节点块体单元更改为 20 节点块体单元。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，在“积分阶次”下拉框中选择将对此部件中的块体单元使用的积分阶次。对于矩形单元，请选择“2 阶”选项。对于中度扭曲的单元，请选择“3 阶”选项。对于极度扭曲的单元，请选择“4 阶”选项。单元刚度公式的计算时间将以积分阶次的三次方增加。因此，为缩短处理时间，应使用将生成可接受结果的最低积分阶次。

接下来，必须在“热流计算”下拉框中指定计算热流量的方法。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。

若要此模型中的两个或更多其他部件交换通过此部件的体对体辐射传递的热量，请在“体对体辐射”下拉框中选择“透明”选项。

控制块体单元的方向

如果块体单元的此部件使用正交各向异性材料模型，则需在“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。

块体单元的材料轴是 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 2：材料轴的方向

使用块体单元的注意事项

1. 确保已定义单位制。
2. 确保模型使用热分析类型。
3. 对于要成为块体单元的部件，请在其“单元类型”标题上单击鼠标右键。
4. 选择“块体”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。