结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“结构力学模块”的用户引入了螺栓螺纹接触建模和更为通用的流-固耦合多物理场耦合特征,并改进了默认绘图以生成更好的可视化效果。请阅读以下内容,了解结构力学模块的新增功能。

螺栓螺纹接触建模

在为螺栓连接建模时,螺栓孔附近的应力状态受楔入效应的影响较为显著,这一效应由内外螺纹之间的接触压力引起。然而,考虑到模型大小和网格剖分因素,建模时几乎不可能包含螺纹的实际几何形状。借助固体力学 接口中新增的螺栓螺纹接触 特征,您只需使用几何中的柱面即可为两个螺纹零件建模。通过使用此特征,您可以引入螺纹连接的外显效果。

显示螺栓螺纹接触建模示例的 COMSOL 软件 GUI 屏幕截图。

通过两个螺栓的截面上的法向应力比较图。右侧螺栓通过新的“螺栓螺纹接触”条件进行建模,而左侧螺栓则通过“连续性”条件连接到螺栓孔。请注意 螺栓螺纹接触节点的设置示例。

通过两个螺栓的截面上的法向应力比较图。右侧螺栓通过新的“螺栓螺纹接触”条件进行建模,而左侧螺栓则通过“连续性”条件连接到螺栓孔。请注意 螺栓螺纹接触节点的设置示例。

螺栓预紧力的功能改进

螺栓预紧力 特征现在可以添加到固体力学 接口的二维轴对称组件中。对于二维轴对称的情况,螺栓必须位于旋转轴。此外,在三维和二维轴对称模式下,您现在还可以在螺栓选择 子节点中指定螺栓预变形的松弛情况,它可以是时间和加载历史记录等的函数。

新的流-固耦合接口

在最新版本中,使用新的流-固耦合 多物理场耦合代替了之前的 COMSOL® 软件版本中使用的接口。与软件的新多物理场耦合方式类似,新接口包括相应的几个单物理场接口,以及将其耦合到一起的多物理场节点。通过使用这种方法,相关物理场接口中的所有功能都适用于流-固耦合 (FSI) 建模。在结构方面,许多附加边界条件和材料模型现在可用于流-固耦合分析,例如,刚性域、压电和非线性弹性材料模型等;在流体方面,所有的湍流模型以及许多新的边界条件均适用于流固耦合模拟。从“模型向导”添加流-固耦合 接口后,您会看到固体力学 接口、层流 接口、流-固耦合 多物理场耦合节点以及定义 节点中的动网格 节点。“案例库”中的所有流-固耦合模型均已更新。

显示流-固耦合示例的 COMSOL 软件 GUI 屏幕截图。

蠕动泵模型已更新为包含新的 流-固耦合接口耦合。

蠕动泵模型已更新为包含新的 流-固耦合接口耦合。

广义平面应变

广义平面应变公式已发展为继平面应变和平面应力近似之后的第三个选项,适用于二维固体力学分析。广义平面应变近似用于模拟具有恒定横截面的长结构的中心部分。与标准的平面应变公式不同,在此情况下,存在非零面外应变。

COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中“广义平面应变”选项的演示。

在选择二维近似类型时,您可以选择 广义平面应变公式。

在选择二维近似类型时,您可以选择 广义平面应变公式。

梁与实体耦合

二维模式下的实体-梁连接 多物理场耦合新增了一种连接类型:实体和梁的共享边界。不仅如此,现在该耦合还可用于三维模式,并支持为三种完全不同的连接类型建模:

  1. 梁的某个点与实体的边界或部分边界连接。连接区域与梁上的点 进行刚性耦合。
  2. 包含梁表示的边与实体的边界连接。在梁的一定横向距离范围内的 实体上的所有节点均会连接。
  3. 为梁到实体的过渡进行建模。此时,假定实体为梁横截面的三维表示, 并在创建连接时使用梁理论假设。甚至在建模过程中考虑横截面的翘曲。
使用“结构力学模块”对梁和实体进行耦合分析的示例。 实体-梁连接耦合特征用于为实体到梁的过渡建模。图中使用新的“点箭头”绘图类型生成了载荷的可视化效果。 实体-梁连接耦合特征用于为实体到梁的过渡建模。图中使用新的“点箭头”绘图类型生成了载荷的可视化效果。

默认绘图的功能改进

结构力学物理场接口中的默认绘图已更新,现在可以生成信息更丰富的可视化效果。“案例库”教程也进行了相应更新。主要更改如下:

  • von Mises 应力图的颜色表为 RainbowLight
  • 特征频率和线性屈曲研究的振型图颜色表为 AuroraBorealis
  • 振型图已去除图例,以突出说明模式的振幅没有物理意义
  • 桁架 接口中截面力绘图的颜色表为 Wave,具有对称的颜色范围
    • 例如,借此可以立即区分拉伸和压缩
  • 在接触分析中,以线图(二维)或云图(三维)的形式添加了接触压力图
  • “应力线性化”的默认绘图现已在图表中加入图例
  • 接口生成的默认“未变形几何”绘图现在新增了多种颜色
  • 在使用塑性或蠕变等材料模型时,相关应变物理量的云图(如有效塑性应变)叠加在应力图上
    • 适用于“非线性结构材料模块”和“岩土力学模块”
  • 疲劳 接口中,Traffic 颜色表用于预测的失效周期和使用因子
    • 适用于“疲劳模块”
COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中改进的默认绘图与旧版软件绘图的视觉效果比较。 在本例中您可以看到,应力图中的颜色较亮(RainbowLight 颜色表),默认情况下已添加塑性应变等值线和接触压力等值线。为了进行比较,同时显示了 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中同一模型的默认绘图。 在本例中您可以看到,应力图中的颜色较亮(RainbowLight 颜色表),默认情况下已添加塑性应变等值线和接触压力等值线。为了进行比较,同时显示了 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中同一模型的默认绘图。

主值绘图的功能改进

“主应力”绘图类型现在可用于各种张量主值。在之前版本的 COMSOL® 软件中,您只能选择一个预定义的应力或应变场,但现在可以手动输入定向矢量和相应的主值。

固体力学 接口的结果中新增了一组主应变:主对数应变。这是对数应变或“真实”应变,在空间固定的坐标系中给定方向,非常适用于在几何非线性分析中绘制变形几何。

此外,还新增了“主应力线”绘图类型,这种类型在 接口中特别有用。在此之前,主值绘图仅适用于体积和表面。

橡胶密封圈中的主应变可视化效果。 绘制在变形橡胶密封圈上的对数应变。 绘制在变形橡胶密封圈上的对数应变。

梁接口中的 C 型和帽型横截面

接口中新增了两种内置的横截面类型:C 型和帽型。

对约束的详细控制

结构力学相关接口中的所有约束都新增了一个选项,用于排除较低几何实体层上的约束。例如,现在可以在边界的边或点上禁用边界上的指定位移。在您需要对约束进行微调时(例如,约束之间存在重复或冲突时),此功能非常有用。

接触问题的特征频率分析

现在,您可以执行一个涉及接触问题的分析来计算特征频率,例如,研究螺栓结构中的预紧力对其特征频率的影响。

热应力相关的机械损耗

热膨胀 多物理场耦合节点现在可以自动处理热应力引起的机械损耗;生成的热源可以添加到相应域的传热方程中。热膨胀 节点中新增的热源 栏提供了机械损耗 复选框,可用于控制这一特性。

安全系数计算增强功能

安全 特征在两个方面得到了增强。 首先,在 接口中添加了修正 Tsai-Hill、Norris、Azzi-Tsai-Hill、Hoffman、Tsai-Wu 正交各向异性和 Tsai-Wu 准则。其次,固体力学梁横截面 接口中添加了混凝土的失效准则(Bresler-Pister、Willam-Warnke 和 Ottosen)。

支持所有湍流模型的新流-固耦合接口

在最新版本中,使用新的流-固耦合 多物理场耦合代替了之前的 COMSOL® 软件版本中使用的接口。与软件最新版本中的其他多物理场耦合方式类似,新接口包括相应的几个单物理场接口,以及将其耦合到一起的多物理场节点。通过使用这种方法,相关物理场接口中的所有功能都可用于流-固耦合 (FSI) 建模。 在结构方面,新版本中流-固耦合分析可以调用许多附加边界条件和材料模型,例如,刚性域、压电和非线性弹性材料模型等;在流体方面,所有的湍流模型以及许多新的边界条件均适用于流固耦合模拟。从“模型向导”添加流-固耦合 接口后,您会看到固体力学 接口、层流 接口、流-固耦合 多物理场耦合节点以及定义 节点中的动网格 节点。“案例库”中的所有流-固耦合模型均已更新为新的耦合方式。

受湍流作用的跑车车翼模型。 测试台上一个受 200 km/h (125 mph) 湍流(流线)作用的跑车车翼上的压力(颜色表)和变形(在表面放大 50 倍),其中使用了新物理场接口中的单向流-固耦合。 测试台上一个受 200 km/h (125 mph) 湍流(流线)作用的跑车车翼上的压力(颜色表)和变形(在表面放大 50 倍),其中使用了新物理场接口中的单向流-固耦合。

更新教学案例:使用集总机械系统的集总式扬声器驱动器

这是一个动圈式扬声器模型,通过集总参数模拟来表示电子和机械扬声器分量的特性,其中使用 Thiele-Small 参数(小信号参数)作为集总模型的输入。在此模型中,移动质量、悬挂系统的柔性和机械损耗等机械扬声器分量通过集总机械系统 接口进行建模。

来自“集总式扬声器驱动器”教学案例的绘图。 压力场绘制为等值面(扬声器纸盆上方)及表面图(扬声器纸盆下方)。 压力场绘制为等值面(扬声器纸盆上方)及表面图(扬声器纸盆下方)。

案例库路径:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/lumped_loudspeaker_driver_mechanical

新增教学案例:振动声学扬声器仿真,结合使用 BEM-FEM 的多物理场

此模型演示对包含驱动器、扬声器箱和支架的扬声器执行完整的振动声学分析。其中对扬声器施加额定驱动电压,得到扬声器箱和外部房间中的声压级,以及给定频率下扬声器箱和驱动器的变形。扬声器置于硬质地板上,与其背后的壁面相隔一段距离。本例使用混合 BEM-FEM 方法,将固体力学,壳压力声学,频域 以及压力声学,边界元 物理场接口相耦合。模型使用六个内置的多物理场耦合将多个单物理场接口联系在一起。

“振动声学扬声器仿真:结合使用 BEM-FEM 的多物理场”教学案例中的绘图。

使用完整的振动声学仿真模拟的扬声器中辐射声场的声压级。使用新增的压力声学,边界元 接口模拟的外部声学,该接口已与 FEM 相关接口相耦合。

使用完整的振动声学仿真模拟的扬声器中辐射声场的声压级。使用新增的压力声学,边界元 接口模拟的外部声学,该接口已与 FEM 相关接口相耦合。

使用压力声学,边界元 接口示例的案例下载链接:

振动声学扬声器仿真:结合使用 BEM-FEM 的多物理场

新增教学案例:带粘性和热阻尼的振动 MEMS 微镜,瞬态特性

微镜在特定的 MEMS 器件中用于控制光学元件。此示例是一个振动微镜的模型,周围是空气,阐明微镜在最初短时启动后所展现的阻尼振动,其中使用热粘性声学,瞬态 以及压力声学,瞬态 接口为时域中的流-固耦合建模。热粘性声学 接口的使用描述了微镜相对于周围空气产生的热粘性阻尼的全部细节。

“带粘性和热阻尼的振动微镜:瞬态特性”教学案例中的绘图。 以彩色显示的微镜在给定时间的位移和压力分布。图中显示了微镜位移的瞬态变化,表明热粘性损耗引起阻尼振动。 以彩色显示的微镜在给定时间的位移和压力分布。图中显示了微镜位移的瞬态变化,表明热粘性损耗引起阻尼振动。

案例下载链接:

带粘性和热阻尼的振动微镜:瞬态特性

梁接口中的 C 型和帽型横截面

接口中新增了两种内置的横截面类型:C 型和帽型。

实现对约束的详细控制

结构力学接口中的所有约束都得到了增强,您可以通过一个选项来排除较低几何实体层的约束。例如,现在可以在边界的边或点上禁用边界上的指定位移。当您需要对约束进行微调时(例如,约束之间存在重复或冲突时),此功能非常有用。

接触问题的特征频率分析

现在,您可以执行一个涉及接触问题的分析来计算特征频率,例如,研究螺栓结构中的预紧力对其特征频率的影响。

热应力相关的机械损耗

热膨胀 多物理场耦合节点现在可以自动处理热应力引起的机械损耗;生成的热源可以添加到相应域的传热方程中。热膨胀 节点中新增的热源 栏提供了机械损耗 复选框,可用于控制这一特性。

安全系数计算的增强功能

安全性 特征在两个方面得到了增强。首先,在 接口中添加了修正 Tsai-Hill、Norris、Azzi-Tsai-Hill、Hoffman、Tsai-Wu 正交各向异性和 Tsai-Wu 准则。其次,固体力学梁横截面 接口中添加了混凝土的失效准则(Bresler-Pister、Willam-Warnke 和 Ottosen)。