二维单元

什么是二维单元？

热二维单元是由在 YZ 平面中绘制的直线段所组成的三节点或四节点单元。平面外方向没有热流量（因此没有温度变化）。仅为这些单元定义一个自由度，即：温度。您可以定义与温度相关的节点材料属性。

选择二维单元的类型

有两种类型的二维单元可用于热分析。可以在“单元定义”对话框“常规”选项卡上的“几何类型”下拉框中选择这些单元。

• 平面：选择此选项可指明模型的平面性质。必须在 YZ 平面中构建模型。
  

  图 1：二维平面单元

• 轴对称：此类型几何体的几何和载荷必须轴对称。必须在 YZ 平面中构建模型，使 Z 轴作为对称轴并使模型处于正 Y 空间中。此几何体假设与厚度相关的数量按弧度来表示。
  

  图 2：二维轴对称单元

  注： 使用二维轴对称单元时，输入以一个弧度为基准，如图 2 所示。计算通过面的热流率时将以整个圆周为基准。

二维单元参数

使用二维单元时，如果使用的是平面几何类型，则必须在“单元定义”对话框的“厚度”字段中定义部件厚度。此输入仅影响通过单元面的总热流量。它的计算方法是热通量（能量/面积）乘以单元长度和厚度。它不会影响温度分布和计算得出的热通量。

提示： 输入的平面几何体厚度还将用于“结果”环境中的三维可视化。（请参见浏览器函数页面。）

如果几何体是轴对称图形，则此字段将不可用。此时将出现值 1 弧度，提醒用户轴对称分析将采用一个弧度的切面。这只会影响通过单元面的热流量，因为面的面积将与径向位置成函数关系。

接下来，必须在“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。在选择“正交各向异性”选项后，可以使用“主轴转换角”字段定向材料轴。局部 n 材料轴将从 Y 轴按逆时针方向测量，如图 3 所示。
• 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。此时可以使用“主轴转换角”字段定向材料轴。局部 n 材料轴从 Y 轴按逆时针方向测量，如图 3 所示。
  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：” 瞬态热传递页面中的“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。

图 3：主轴转换角

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“质心投影”选项，则将使用傅立叶定律通过衍生节点温度计算此部件的热通量。如果选择“基于边界条件的非线性”选项，则将使用对流或辐射边界条件的输入参数和衍生节点温度计算此部件上具有对流或辐射载荷的外部表面的热通量。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。

如果希望此模型中的两个或更多其他部件经由这一部件通过体对体辐射交换热量，请在“体对体辐射”下拉框中选择“透明”选项。

使用二维单元

1. 确保已定义单位制。
2. 确保模型使用热分析类型。
3. 请确保在 YZ 平面中绘制将要指定为二维单元的单元。
   提示： 可用于将三维模型转换成二维模型的命令如下：“绘制” “图案”“重新定位和缩放”、“绘制”“图案”“转动或复制”和“绘制” “修改”“投影到平面”。例如，您可能会无意中在 XY 平面中创建网格。您可以使用“重新定位和缩放”或“转动”命令将网格转动到 YZ 平面。由于舍入，某些节点的 X 坐标值可能较小，从而防止将单元类型设置为“二维”。在这种情况下，请使用“投影到平面”将节点精确捕捉到 YZ 平面。
4. 对于要成为二维单元的部件，请在其“单元类型”标题上单击鼠标右键。
5. 选择“二维”命令。
6. 在“单元定义”标题上单击鼠标右键。
7. 选择“编辑单元定义”命令。
8. 请在“几何类型”下拉框中为部件选择适当的几何类型。
9. 请在“材料模型”下拉框中为部件选择适当的材料模型。
10. 如果在“几何类型”下拉框中选择“平面”选项，请在“厚度”字段中指定部件的厚度。
11. 如果在“材料模型”下拉框中选择“正交各向异性”选项且主轴不在整体 XYZ 轴上，请在“主轴转换角”字段中指定转动角度值。此角度将按逆时针方向从整体 Y 轴到材料轴进行测量（以度为单位）。
12. 按“确定”按钮。