结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本为“结构力学模块”的用户引入了响应谱分析功能、使用代表性体积元的材料数据均质化以及材料活化特征。请阅读以下内容,了解这些结构力学特征及其他新增功能。

响应谱分析

新版本增加了一项新功能用于响应谱分析,可用于估计短且不确定的动态事件的峰值响应。支持多种模态组合方法,例如 SRSS、CQC (der Kiureghian)、绝对值和、百分之十、分组及二重和 (Rosenblueth) 等方法。提供四种空间组合方法:SRSS、100-40-40、CQC3 和 SRSS3。您可以使用 Gupta 和 Lindley-Yow 方法来分离周期模态和刚体模态,并为不由特征模态表示的质量添加静校正。此功能在“模型向导”中通过名为响应谱 的预设研究类型提供,可在模型树中添加许多特征来设置分析。

两个新模型利用了这些特征:

经历地震的结构的响应谱分析。

框架在地震期间的最大位移(左),其水平和垂直设计响应谱(右)。

框架在地震期间的最大位移(左),其水平和垂直设计响应谱(右)。

用于周期性材料均匀化的代表性体积元 (RVE)

对于许多类型的非均质材料,可以通过使用周期性边界条件来研究最小的重复结构,从而计算有效材料数据。这种单元通常称为代表性体积元 (RVE)。新的单元周期性 特征支持自动设置此类单元的边界条件和载荷,您可以计算各向异性弹性数据和热膨胀系数,并将计算结果用于宏观分析。新的复合材料的细观力学模型演示了此功能。

COMSOL Multiphysics 5.4 版本中的“单元周期性”特征演示。

表示基体中单根纤维的周期性单元的六种基本变形模式,根据有效应力着色。

表示基体中单根纤维的周期性单元的六种基本变形模式,根据有效应力着色。

用于轴对称分析的壳接口

轴对称壳结构在工程领域有着广泛的应用。 接口现在支持二维轴对称建模,大幅提高了这种结构的分析效率。这对于研究多物理场问题(例如声-结构相互作用)尤为重要。

以下模型演示了这一特征:

轴对称壳结构模型。

自由圆柱壳的一阶特征模态,显示为三维旋转剖面图。

自由圆柱壳的一阶特征模态,显示为三维旋转剖面图。

新的流-固耦合功能

新版本对流-固耦合 (FSI) 功能进行了扩展,现在支持与壳和膜相互作用。与此同时,流-固耦合 多物理场耦合经过重新设计,使同一耦合功能既适用于流体域产生大变形的情况,又适用于变形可忽略的情况。此外,新版本还添加了一种用于装配中的流-固耦合的多物理场耦合功能,其中,结构与流体之间的界面不必是共享网格的公共边界。此功能在本模块与“多体动力学模块”结合使用的扩展版本中提供,后者支持包含柔性体和刚体的流-固耦合;有关更多详细信息,请参见多体动力学模块页面

以下模型演示了这一特征:

球形止回阀的 FSI 模型。

经过球形止回阀的流动;流线根据压力着色。

经过球形止回阀的流动;流线根据压力着色。

用于增材制造的材料活化

在许多制造工艺中,材料都是按顺序添加的。在大多数情况下,材料在添加时应处于无应力状态。借助新的活化 特征(线弹性材料 节点的一个属性),您可以根据用户定义的准则添加和移除材料。该准则可以是与时间、参数值或温度等相关的任意表达式。层合板模型演示了这一功能。

辊支承条件支持解析法向

辊支承 边界条件中,您现在可以指定结构在其上滑动的解析表面,借助此功能,您还可以使用辊支承条件分析有限位移和旋转。新功能可避免边界表面的法矢方向不够理想的情况,例如使用导入的网格时可能发生的情况。

使用“辊支承”边界条件的示例。

杆的中间部分使用了定义为圆柱面的辊支承条件。杆可以绕轴自由旋转,也可以轴向平移。

杆的中间部分使用了定义为圆柱面的辊支承条件。杆可以绕轴自由旋转,也可以轴向平移。

无反作用对称条件

结构力学接口中的对称条件得到扩展,现在可用于分析对称平面可沿其法向平移,而非作为固定平面的情况。无反作用对称条件主要用于没有净反作用力的截断结构。除了完全自由平移外,对称平面还可以具有给定位移或给定的净反作用力。表面电阻模型演示了这一功能。

具有滑动对称平面的电路板模型。

这是一个穿过电路板的切面,最右侧的截面可以随温度的升高而发生膨胀,同时保持平面状态。

这是一个穿过电路板的切面,最右侧的截面可以随温度的升高而发生膨胀,同时保持平面状态。

新增模态叠加研究类型

新版本添加了两个预定义的模态叠加研究序列:瞬态,预应力,模态频域,预应力,模态。这两种序列都可以生成三个研究步骤。第一个是稳态步骤,可确定用于后续特征频率计算的预应力状态。通过这些研究,您可以更轻松地使用有效模态叠加方法来分析预应力结构。以前用于动态分析的一些研究类型也相应地进行了重命名。

模态叠加研究图。

有无预应力两种情况下位移幅值和相位随加载频率的变化情况。

有无预应力两种情况下位移幅值和相位随加载频率的变化情况。

伯格斯粘弹性模型

伯格斯模型已添加到粘弹性材料模型列表中。由于该模型在受到应力作用时不会长期保持稳定,因此这是一个与流体相似的本构模型。举例来说,伯格斯模型可用于对土壤和生物材料建模。

伯格斯模型演示。

伯格斯粘弹性模型示意图。

伯格斯粘弹性模型示意图。

边和点的刚性连接件

在对机械装配建模时,使用刚性连接件是一种重要的方法。刚性连接件 中的选择现在可以是边界、边和点的组合,您也可以直接在边和点层级添加刚性连接件。举个例子,连接点在螺栓连接和铆钉连接等情况下非常有用。

刚性连接件特征的柔性公式

刚性连接件 特征现在包含两个公式:刚性柔性。在默认的刚性 公式中,所有选定的边界、边和点都表现出它们由一个公共刚体连接而呈现的特征。在某些情况下,这会产生不必要的强化或不切实际的局部应力。此时,您可以切换为柔性 公式,这是一种以平均方式施加约束的公式。柔性公式仅适用于具有纯边界选择的刚性连接件,而不适用于包含边或点的选择。

用于外部材料的实用程序函数

当您使用外部材料功能对自己的本构关系编程时,往往会重复使用某些代码段,其中包括各种张量运算、主值和方向计算以及矩阵求逆。新版本引入了一个包含 20 多个实用程序函数的库,涵盖了许多这类常见运算,可以大幅缩短材料模型代码的编写时间。

新增教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本新增了八个教学案例。