结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本针对“结构力学模块”的用户引入了称为应力线性化的建模技术、螺栓预紧力研究步骤以及用于刚体抑制的边界条件。 请阅读以下内容,了解“结构力学模块”中的所有新增特征和功能。

应力线性化计算

应力线性化是一种后处理技术,在固体模型中,它将通过薄截面的应力表示为一个恒定的膜应力场和一个呈线性变化的弯曲应力场。 在分析压力容器时常会用到这类计算,ASME 标准 ASME 锅炉和压力容器规范 (ASME Boiler & Pressure Vessel Code) 的第三卷第一册的 NB 分册 中对此进行了描述。这项技术还可以应用到计算混凝土结构中的钢筋,以及一些焊接分析等。

使用新增的应力线性化 后处理节点时可以选择需要执行应力线性化计算的边,可得到有关膜应力、弯曲应力和峰值应力的报告,并计算每条这样的应力分类线的应力强度。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中应力线性化的案例。 使用应力线性化计算得到的三条应力分类线。这几条线(表示为管道)位于模拟的凸缘面上,应力强度值由颜色条表示,图中显示了最大应力强度。表面图描述三维对象中的 von Mises 应力。 使用应力线性化计算得到的三条应力分类线。这几条线(表示为管道)位于模拟的凸缘面上,应力强度值由颜色条表示,图中显示了最大应力强度。表面图描述三维对象中的 von Mises 应力。


有关使用应力线性化后处理技术的示例,请访问以下“案例库”路径:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

专用于螺栓预紧力的研究步骤

新版本引入了一个新的研究步骤,旨在用于包含预紧力螺栓模型的第一个分析步骤。螺栓预紧力 研究步骤直接求解其他研究步骤中未涉及的螺栓预变形。执行这一研究步骤后,您无需再手动设置与螺栓分析相关的自由度的激活状态。

螺栓预紧力的 COMSOL Multiphysics 示例。

一个采用预张紧螺栓固定支架的设计。第一个 研究节点在模型树中包含新增的 螺栓预紧力研究类型。第二个研究则求解稳态分析。

一个采用预张紧螺栓固定支架的设计。第一个 研究节点在模型树中包含新增的 螺栓预紧力研究类型。第二个研究则求解稳态分析。

有关使用螺栓预紧力 研究步骤的示例,请访问以下“案例库”路径:
Structural_Mechanics_Module/Tutorials/bracket_contact

对称平面中螺栓的自动检测及其建模条件的处理

新版本中,可以自动检测由对称平面切割的预紧力螺栓。经切割后螺栓上的给定预紧力和计算的螺栓力都可转换成完整螺栓上的力,由此极大地简化了建模的工作流程。

使用“结构力学模块”创建的预张紧螺栓的应力图。 对称平面切割的预张紧螺栓的应力图。检测到螺栓已切割,将其作为一个完整螺栓处理。这一操作避免了单独定义由对称平面切割的螺栓。此模型中的所有螺栓都可以指定相同的条件。 对称平面切割的预张紧螺栓的应力图。检测到螺栓已切割,将其作为一个完整螺栓处理。这一操作避免了单独定义由对称平面切割的螺栓。此模型中的所有螺栓都可以指定相同的条件。

有关自动检测对称平面中螺栓的示例,请访问以下“案例库”路径:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

自动抑制刚体运动

当载荷自平衡的时,不再需要确切地给出约束的实际位置。 只要约束明细满足以下条件,就可以分析自平衡模型:不可能存在刚体运动以及未引入反作用力。现在,新增的刚体运动抑制 条件可用于这几类分析。此特征基于几何模型和物理场接口自动施加一组合适的约束。

刚体运动抑制 条件可用于以下物理场接口:

  • 固体力学(三维、二维和二维轴对称)
  • 壳(三维)
  • 板(二维)
  • 膜(三维和二维)
  • 梁(三维和二维)
  • 桁架(三维和二维)
  • 多体动力学(三维和二维)
应用“刚体运动抑制”条件后受热电路的 COMSOL 模型。

本例中电路受热产生热膨胀导致变形。应用 刚体运动抑制条件可确保模型充分约束,从而得到正确的解。该绘图显示 von Mises 应力。

本例中电路受热产生热膨胀导致变形。应用 刚体运动抑制条件可确保模型充分约束,从而得到正确的解。该绘图显示 von Mises 应力。

有关刚体运动抑制的示例,请访问以下“案例库”路径:
Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/heating_circuit

安全系数计算

线弹性材料非线性弹性材料 节点中新增的安全性 属性,尤其是安全系数,使您能研究材料在结构中的使用。 计算安全系数时,可以采用大量不同的各向同性、正交各向异性或各向异性失效准则,包括用户定义的表达式。加入安全性 节点后,您可以访问有关安全系数、安全裕度以及损伤指数和失效指数的后处理变量。

接口的线性屈曲分析

现在可以在 接口中执行线性屈曲分析,从而为各类框架结构受压下的临界载荷分析提供便利。此外,使用多个结构力学接口及混合使用结构力学接口的模型现在也可以使用此研究或分析类型。这是因为这一分析类型已经可用于固体力学 接口等其他物理场接口中。

COMSOL Multiphysics 中的线性屈曲分析。 空间框架承受垂直载荷时的屈曲形状。 空间框架承受垂直载荷时的屈曲形状。

有关 接口的屈曲分析的示例,请访问以下“案例库”路径:
Structural_Mechanics_Module/Verification_Examples/space_frame_instability

新增壳单元分析结果数据集

在分析多种薄结构时可以使用壳单元和边界网格,无需采用三维网格,从而可以节省计算资源。但是,对于一个三维结构,如果在后处理步骤中必须使用壳单元,那么当壳的上表面和下表面的结果完全不同时,对这个三维结构做可视化处理是非常困难的。将上述壳单元与模型中使用三维网格进行分析的其他三维部分一同进行高效的可视化处理时,这样做甚至更为艰难。

在新的 COMSOL Multiphysics® 发行版中,您可以根据两个平行表面上的壳单元分析结果进行绘图,并将其更高效地呈现在三维可视化视图中。默认情况下,两表面的间距为壳单元分析中使用的厚度。而且您可以手动修改这一间距,增强极薄对象的可视化效果。所有这些结果数据都归档在结果 节点下新增的 数据集中。

支架的几何结构。

支架的应力分析,其中使用 接口分析了一部分几何,其他部分则使用固体力学 接口进行分析。当 接口用于分析这一几何的壳单元时,默认绘图(这里显示的图)中的壳显示为由壳的厚度参数分隔开的两个平行表面,顶面显示为蓝绿色,实际为三维结构的其他几何部分已隐藏。

支架的应力分析,其中使用 接口分析了一部分几何,其他部分则使用固体力学 接口进行分析。当 接口用于分析这一几何的壳单元时,默认绘图(这里显示的图)中的壳显示为由壳的厚度参数分隔开的两个平行表面,顶面显示为蓝绿色,实际为三维结构的其他几何部分已隐藏。
显示壳两侧受到应力作用的支架 COMSOL 图。

支架的应力分析,其中使用 接口分析了一部分几何,其他部分则使用固体力学 接口进行分析。这里的绘图使用 数据集显示了壳两侧的应力(未显示固体单元模拟的几何部分的结果)。

支架的应力分析,其中使用 接口分析了一部分几何,其他部分则使用固体力学 接口进行分析。这里的绘图使用 数据集显示了壳两侧的应力(未显示固体单元模拟的几何部分的结果)。

结构力学各接口之间新增了多物理场耦合

此版本引入了以下三个新的多物理场耦合接口,使不同结构力学接口之间的连接明显变得更轻松:固体-壳连接固体-梁连接壳-梁连接。由此,梁连接壳连接固体连接 这三个过去可以添加在固体力学 节点下的子节点现在已过时,在此版本中已移除。在连接固体力学 接口或多体动力学 接口中的域时,固体-壳连接固体-梁连接 耦合非常有用。

这三个屏幕截屏显示了“结构力学模块”中的各种“连接设置”。

固体-壳连接壳-梁连接以及 固体-梁连接耦合(从左到右)中可用的连接设置。

固体-壳连接壳-梁连接以及 固体-梁连接耦合(从左到右)中可用的连接设置。

通过材料数据描述弹性层

现在,您可以使用杨氏模量和泊松比等材料数据,并结合给定的层厚度来指定弹簧基础或弹性薄层的弹性属性,简化建模过程,例如,模拟具有已知材料属性的粘结层等类似仿真。在使用材料数据和厚度作为输入时,还可以得到弹性层中的应变结果。

固体力学中的模态分析

固体力学 接口的二维模型中新增了一个模态分析研究类型,用于研究波在面外方向行进的振型和波数。相关的应用包括常规的声-结构相互作用以及横截面的无损评价。固体力学 接口的二维轴对称模型新增了一个周向模态扩展 选项,在特征频率研究中可用于进行周向振型和模态数的计算。

注:示例中的模型还需要“声学模块”。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中的模态分析示例 含薄弹性壁的消声器腔中的传播模态。显示了声压和结构变形。 含薄弹性壁的消声器腔中的传播模态。显示了声压和结构变形。

有关新增的模态分析研究类型的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

几何非线性分析中新增的非弹性应变框架

对于几何非线性的情况,实现了分解成弹性变形和非弹性变形这样一个新的框架,且处理更严格。COMSOL® 软件以前的版本使用附加分解方法,对于大应变塑性分析等几种例外情况,则使用乘法分解方法。

乘法分解现在仍适用于以下各种分析:

  • 热膨胀
  • 浸润膨胀
  • 预应变
  • 外部应变
  • 粘塑性
  • 蠕变

对于涉及几何非线性的研究,变形梯度中的乘法分解现在是分析所有非弹性情况的默认选项,其主要优势在于可以在一种材料中处理多种大型非弹性应变情况。不仅如此,这种方法还使线性化更一致,因为现在可以精确地预测由纯热膨胀引起的特征频率偏移。如果要切换回 COMSOL Multiphysics® 软件以前版本中的方法,则可以在各材料模型的“设置”窗口中选中新的附加应变分解 复选框。


这一功能增强还包括线弹性材料 节点和非线性弹性材料 节点下的外部应变 属性中扩充了几个新选项。这几个选项允许以多种形式提供非弹性应变,还可以将其他物理场接口中的非弹性应变传递到此属性中。此外,具有类似性质的外部应变 属性已添加到“超弹性材料”中。

接口中的刚体域

现在可以从 接口访问“刚体域”材料模型。对于刚度明显大于周围零件的零件,这是一种有效的建模技术,因为它仅要求对整个边界集()或边的集合()提供刚体自由度。就如同对固体力学多体动力学 接口中相应的材料模型那样,您也可以在刚体的任意位置施加载荷、弹簧和惯性。

接口中的刚性连接线

刚性连接线 特征现在可用于 接口。可以选择一组节点,组成刚性区域供随后使用,例如用于避免对梁连接处的柔性作过高估计。它还可以是施加偏心载荷、弹簧或额外惯性的一种方式。

刚体域和刚性连接线的弹簧边界条件

新增了一个名为弹簧基础 的弹簧边界条件,所有物理场接口中的刚性连接线刚体域 特征都得到了增强。该边界条件具有以下属性:

  • 弹簧可以附着到任意位置
  • 包含平移和转动两种弹簧
  • 弹簧可以具有阻尼损耗因子
  • 弹簧可以和粘滞阻尼同时起作用(平移和旋转均如此)

用于接触建模的能量变量

针对接触建模新增了包含多个能量的变量。现在可以得到摩擦产生的耗散能量,以及存储在接触罚因子中的弹性能。在检查能量平衡以及对选定的罚因子进行后验 检查时,这一功能非常有用。

COMSOL Multiphysics 中的这一绘图描述了圆柱体在滚动和滑动时的能量平衡。 通道内的圆柱体在重力作用下进行滚动和滑动时的能量平衡。 通道内的圆柱体在重力作用下进行滚动和滑动时的能量平衡。

有关包含用于接触建模的新能量变量的示例,请访问以下“案例库”路径:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

接触的频域分析

如果您已在之前的研究中计算出某个结构的接触状态,则可以研究该结构的频率响应。例如,可以对螺接结构执行频域分析,并研究接触状态对动态属性的影响。

指定速度和指定加速度的谐波扰动

接口中,您可以为指定速度指定加速度 节点提供谐波扰动值。

控制物理符号的功能得到增强

现在可以更好地控制“图形”窗口中显示的几何上的可视化物理符号,在各物理场接口的“设置”窗口以及物理场节点下各个特征的设置中切换这些选项的开和关。

显示“固体力学”和“点载荷”分别对应的“物理符号”选项的屏幕截图。

“图形”窗口中模型设置上物理符号的显示切换。可以在主节点(例如,固体力学)的“设置”窗口中选择 启用物理符号(上图),也可以在单个特征(例如,点载荷)的“设置”窗口中进行选择(下图)。

“图形”窗口中模型设置上物理符号的显示切换。可以在主节点(例如,固体力学)的“设置”窗口中选择 启用物理符号(上图),也可以在单个特征(例如,点载荷)的“设置”窗口中进行选择(下图)。

外部材料功能得到增强

根据用户定义的 C 代码创建的材料模型在功能和可用性方面都得到了较大提升:

  • 现在可以实现非线性弹性材料和超弹性材料产生非弹性应变
  • 新增了两个 C 代码接口,可以输入包括变形梯度在内的多个物理量
  • 现在可以包含巧凑边点形函数
  • 新增了小应变公式
  • 可以先对用户函数调用进行特殊初始化
  • 可以对用户函数调用进行清理(例如,关闭文件)
  • 可以分别命名状态变量
  • 可以将时间作为输入变元

新教学模型:瞬态滚动接触

“瞬态滚动接触”示例介绍了如何处理粘滑摩擦转换的瞬态接触问题这个概念。在半管式滑道的顶部释放一根仅受重力载荷作用的中空软管,软管会发生滑动和滚动,具体的运动取决于其在滑道中的位置及其速度。由于受接触力和惯性力作用,软管的椭圆形横截面发生变化。检查能量是否平衡可以验证解的精度。

 

一根软管从半管式滑道的顶部区域下落,重力和接触力会影响软管的运动和横截面的形状。图中显示了某一时间点上软管的应力,以及软管在滚动和滑动间变化时软管上某一点的轨迹。


“案例下载”链接:

瞬态滚动接触

新教程:复合轮系的噪声辐射

预测动力系统中的噪声辐射可以使设计人员在设计过程的早期就洞察到移动机构的特性。例如,考虑一个齿轮啮合刚度发生变化引起振动的变速箱。振动通过轴和关节传递到变速箱的外壳上,外壳的振动进一步将能量传递到周围的流体中,产生声波辐射。

此教学模型模拟了轮系外壳上的噪声辐射。首先,在时域执行多体动力学分析,计算驱动轴达到指定速度时外壳的振动。然后,在选定的频率执行声学分析,使用外壳的法向加速度作为噪声源计算近场、远场和外部场中的声压级。

注:此模型还需要“多体动力学模块”和“声学模块”。

 

移动轮系周围箱体上的法向加速度。此模型还计算了辐射声压。


“案例库”路径:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise