结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.2a 版针对“结构力学模块”的用户引入了新增的用于建模各种传感器和执行器的磁致伸缩接口、可轻松耦合结构力学和流体流动方程的多孔弹性接口,以及模拟粘附和剥离来分析粘在一起或分离的对象行为的功能。请阅读下文了解有关“结构力学模块”所有更新的更多详细信息。

新增磁致伸缩接口

引入了新的磁致伸缩接口。通过这个功能,您可以基于磁致伸缩原则建模多种传感器和执行器。磁致伸缩效应,即焦耳效应,描述由于材料的磁化状态变化而引起的长度变化。声呐、声学设备、主动振动控制、位置控制及喷油系统等应用领域的换能器利用了此效应。其逆效应解释了由于材料机械应力产生的磁化变化,称为维拉里效应,对传感器非常有用。

磁致伸缩接口添加到模型后,会创建固体力学接口、磁场接口及磁致伸缩多物理场耦合或一系列节点。在固体力学接口中,添加了新的“磁致伸缩”材料模型,具有三个不同的公式:线性、非线性各向同性和非线性立方晶体。在磁场接口中,在对磁致伸缩材料建模时可以使用新的“安培定律,磁致伸缩”特征。

将新的“磁致伸缩”接口与非线性各向同性材料模型结合使用的“App 库”示例的路径: Structural_Mechanics_Module/Magnetostrictive_Devices/nonlinear_magnetostriction

备注:要对磁致伸缩行为建模,需要使用“AC/DC 模块”及以下模块之一:“结构力学模块”、“MEMS 模块”或“声学模块”。

“App 库”中的非线性磁致伸缩换能器示例,使用非线性各向同性材料模型。 “App 库”中的非线性磁致伸缩换能器示例,使用非线性各向同性材料模型。
“App 库”中的非线性磁致伸缩换能器示例,使用非线性各向同性材料模型。

新的多孔弹性接口

固体力学Darcy 定律之间有一个新的多孔弹性多物理场耦合。在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版中添加多孔弹性接口时,这两个单独的物理场接口和多物理场耦合作为一系列节点被创建。这使您可以访问构成接口中的所有功能。例如,现在您可以通过在固体力学接口中添加土壤塑性节点来建模孔隙弹性。

使用新的多孔弹性接口的“App 库”示例的路径: Subsurface_Flow_Module/Flow_and_Solid_Deformation/multilateral_well

多孔介质分析中的应力分布,来自“App 库”的“多分支井破坏”教程模型。 多孔介质分析中的应力分布,来自“App 库”的“多分支井破坏”教程模型。
多孔介质分析中的应力分布,来自“App 库”的“多分支井破坏”教程模型。

备注:要对多孔介质行为建模,可使用“地下水流模块”或支持“达西定律”接口的“结构力学模块”和“流体流动插件模块”的组合。

建模粘附和剥离

使用接触节点下新增的粘附子节点,您可以分析涉及零件粘合和分离的多种制造过程。接触边界在满足特定准则时将粘合在一起,此准则可能是接触压力、间隙距离或任意用户定义的表达式。例如,自定义表达式可以基于传热研究中的温度。您还可以指定虚拟粘合层的弹性属性。

通过粘附连在一起的两个边界在指定剥离定律时可以再次分离。在新增的粘附子节点及其“设置”窗口中,可以选择剥离。此子节点包含三种不同的剥离定律:线性多项式多线性。剥离定律允许与法向和切向的独立属性进行混合模式的剥离,这项技术也称为内聚力模型 (CZM)。

显示剥离建模的“App 库”示例的路径: Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/cohesive_zone_debonding

粘附示例。一个圆柱体接触曲面,使其变形,粘附上去,然后在保持粘附状态的同时返回原始位置。 粘附示例。一个圆柱体接触曲面,使其变形,粘附上去,然后在保持粘附状态的同时返回原始位置。
粘附示例。一个圆柱体接触曲面,使其变形,粘附上去,然后在保持粘附状态的同时返回原始位置。

壳的周期性条件

新的“周期性条件”边界条件已添加到接口,该边界条件与固体力学接口中相应的边界条件类似。允许通过耦合相应的边来有效建模周期性结构。周期性类型有五种不同选择:连续性、反周期性、Floquet 周期、循环对称和用户定义。

使用周期性条件,只需要此壳模型的 60 度扇形进行求解。 使用周期性条件,只需要此壳模型的 60 度扇形进行求解。
使用周期性条件,只需要此壳模型的 60 度扇形进行求解。

巧凑边点单元

被称为巧凑边点类型的单元已添加到固体力学接口,以便补足拉格朗日类型。对于主要包含六面体单元的模型,使用巧凑边点单元将显著提高性能、加快运行速度,还能节省内存。添加新物理场接口时,现在默认使用巧凑边点单元。

此模型使用结构化网格来求解。通过选择巧凑边点单元选项减少了二分之一求解时间。

此模型使用结构化网格来求解。通过选择巧凑边点单元选项减少了二分之一求解时间。

此模型使用结构化网格来求解。通过选择巧凑边点单元选项减少了二分之一求解时间。

输入热膨胀数据的新方法

现在有三种不同方法可以输入热膨胀材料数据:

  1. 作为热膨胀的割线系数。这是之前版本中默认的且唯一可用的方法。
  2. 作为热膨胀的切线(“热力学”)系数
  3. 通过显式指定热应变作为温度函数。

通过选择适当的选项,您可以使用不同类型的测量数据,无需转换。在固体力学桁架接口中可以使用新选项。

热膨胀的割线系数选项用于计算在温度从特定参考温度发生变化时总的应变变化:热膨胀的切线系数选项提供热应变灵敏度随温度变化的相关信息:。在参考温度时两个值一致。

金的正割和正切热膨胀系数 (CTE),其中室温用作无应变参考温度。 金的正割和正切热膨胀系数 (CTE),其中室温用作无应变参考温度。
金的正割和正切热膨胀系数 (CTE),其中室温用作无应变参考温度。

约束的热膨胀

现在您可以使用热膨胀子节点增加约束条件,例如,固定约束和指定位移。这样可以在通过约束变得理想化的周围结构不处于固定温度时消除由约束产生的应力。同样地,热膨胀子节点已添加到刚性连接附件节点,允许其他刚性对象的热膨胀。

使用此功能时,要指定周围非建模结构的热膨胀系数和温度分布。集成由这些因素导致的热应变可获取一个位移场,该位移场已添加到约束。

向固定约束添加热膨胀的效果。 向固定约束添加热膨胀的效果。
向固定约束添加热膨胀的效果。

壳坐标系

已改进了接口中应用的局部坐标系。通过将局部坐标系的定义移至线弹性材料节点下的壳局部坐标系子节点,更加便于对相同的材料数据使用不同材料方向。

添加接口后,定义下还会创建一个新节点壳局部坐标系,包含接口处于活动状态且可以参考的所有边界的局部方向;例如,设置多物理场耦合时。

两个不同的局部坐标系,一个针对柱面,一个针对平面。 两个不同的局部坐标系,一个针对柱面,一个针对平面。
两个不同的局部坐标系,一个针对柱面,一个针对平面。

完美匹配层 (PML) 更新

完美匹配层特征已添加了几个选项,可以定制层属性:

  • 求解器中的“启用/禁用 PML”选项对于建模源为计算场的散射问题非常有用。
  • 用户定义的几何类型选项可以在 PML 具有非标准几何时使用,也可以在自动 PML 几何检测失败时使用。
  • 您可以选择用户定义的坐标拉伸函数用于定义 PML 缩放比例。这使您可以在 PML 中定制缩放比例,例如,在特定物理场配置中非常有效地吸收波。

新 App:车架分析器

车架的可靠性可通过分析受到不同载荷工况时的结构应力来计算。本 App 使用 LiveLink™ for SOLIDWORKS® 在计算应力分析时以交互方式更新几何。使用本 App,您可以轻松地测试车架在不同尺寸、材料和载荷情况下的不同配置,其中根据车架的结构尺寸、材料和载荷/约束计算车架的应力分布和变形情况。

为了便于轻松地记录 App 中的几何从 SOLIDWORKS® 文档更新时分析得出的 CAD 设计,App 显示 CAD 文件信息,例如最近更新的日期和时间,以及文档名称、其配置和显示状态。您可以处理车架几何的尺寸,例如车头角、座椅角、上管长度、底座底下降、后下叉、轴距以及五通到上管的垂直距离。您还可以将材料属性定义为铝、钢、钛或您指定的其他材料,以及指定载荷工况和约束。

通过本 App,您可以设置允许的最大应力因子,从而为给定的载荷工况计算有效应力的控制值。

“车架分析器”App 的“App 库”路径:
LiveLink_for_Soldiworks/Applications/bike_frame_analyzer_llsw
Structural_Mechanics Module/Applications/bike_frame_analyzer_llsw

“车架分析器”App 的用户界面,显示车架上曲柄角为 180 度时的有效用力。 “车架分析器”App 的用户界面,显示车架上曲柄角为 180 度时的有效用力。
“车架分析器”App 的用户界面,显示车架上曲柄角为 180 度时的有效用力。
*备注:要运行此 App,需要使用 LiveLink™ for SOLIDWORKS® 和“结构力学模块”。

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