复合材料模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本为“复合材料模块”的用户引入了多层壳接触、超弹性、塑性、压电、活化、脱层、新的失效准则,以及多层壳与流体流动和声学相结合的多物理场耦合功能。请阅读以下内容,进一步了解“复合材料模块”的所有更新功能。

多层壳接口中的压电材料

通过在多层壳 接口中加入压电材料建模功能,支持对薄片式压电器件和传感器(其中将压电材料嵌入复合材料层合板中)进行建模。为了方便建立模型,新增了压电,多层壳 多物理场接口,可以将多层壳多层壳中的电流 这两个物理场接口结合多层压电效应 特征实现多物理场耦合。您可以在新的多层壳中的压电现象模型中看到此功能的应用演示。请注意,除了“结构力学模块”和“复合材料模块”,您还需要“AC/DC 模块”或“MEMS 模块”才能使用此功能。

多层壳模型,其中间层由压电材料制成。 采用压电材料的多层壳 中间嵌有压电层的多层壳。压电层(彩色线框图)和金属层(彩色图)分别显示轴向压缩和面外位移。

多层壳接口中的超弹性材料

通过在多层壳 接口中添加超弹性材料,支持对复合壳中的大应变进行建模,其中一些层由橡胶或其他类型的弹性体构成。请注意,除了“结构力学模块”和“复合材料模块”,您还需要“非线性结构材料模块”才能使用此功能。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的复合材料面板,其中突出显示超弹性层,并显示“多层壳”接口设置。 采用超弹性材料的复合材料面板 夹层复合材料面板模型,其外部为线弹性层(复合材料),中间突出显示的是超弹性层(橡胶材料)。

多层壳中的塑性

多层壳 接口的线弹性材料 节点中新增了塑性 特征,支持您模拟复合材料层合板的选定层中的塑性变形,例如夹层结构中的金属外层。塑性模型与固体力学 接口中的相同,只是假设其塑性应变较小。请注意,除了“结构力学模块”和“复合材料模块”,您还需要“非线性结构材料模块”才能使用此功能。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的多层壳,其中突出显示了塑性。 多层壳 多层壳模型,图中突出显示在顶层和底层对塑性建模。

多层壳接口中的材料活化

通过多层壳 接口的线弹性材料 中新增的活化 特征,您可以分析复合材料层合板中的应力状态,在其中添加或移除特定的层,当您想要模拟增材制造等工艺中的材料添加情况时,这一功能非常有用。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的多层壳,其中突出显示了使用材料活化的层。 使用材料活化的多层壳 多层壳中的材料活化,其中对中间边界的顶部两层进行活化。

多层壳接口中的接触建模

多层壳 接口中添加了接触建模功能。您可以分析多层壳边界与使用其他结构物理场接口(甚至是未附加物理场接口的任意已划分网格的表面)模拟的边界之间的接触。当前版本中假设这是一种无摩擦接触。

复合材料层合板模型,其顶部为圆柱形网格,层合板中的应力分布用红色、黄色和绿色显示。 复合材料层合板中的应力分布 复合材料层合板与圆柱表面的接触建模,图中显示不同层中的应力分布。

多层壳接口中的分层

多层复合材料中常见的失效模式为层间的界面破坏或分层。您现在可以使用多层壳 接口中的新分层 特征对渐进分层进行建模,新版本提供了多个不同的基于位移和基于能量的内聚力模型,可以结合不同的牵引分离定律来描述损伤。当两个层处于分层状态时,无论是初始状态还是受到外加载荷,为了避免层间渗透,都会存在接触条件。复合材料层合板的混合模式分层层压壳中的渐进分层模型使用了此功能。

在 COMSOL Multiphysics 中模拟的发生脱层的复合材料层合板,其中显示三维和一维绘图。 混合模式脱层示例 复合材料层合板在压缩载荷作用下发生界面破坏(或脱层)。与不同载荷值对应的损伤区以红色显示。从图中可以看到层合板的外加载荷与总损伤面积,以便进行比较。

新增用于多层壳的失效准则

通过安全性 特征,您可以使用许多不同的失效准则来评估结构的完整性。在多层壳 接口和 接口的多层线弹性材料 节点中,为纤维复合材料添加了一组新的失效准则,如下所示:

  • Zinoviev
  • Hashin–Rotem
  • Hashin
  • Puck
  • LaRC03

多层壳接口包含更多的多物理场耦合

新版本已为多层壳 接口添加更多的多物理场耦合功能,支持与流体流动和声学进行耦合。通过流-固耦合 这一耦合功能,您现在可以准确模拟不同应用中复合材料层合板与流体域的相互作用。与“声学模块”结合使用时,您还可以模拟声-结构边界热黏性声-结构边界气动声学-结构边界 以及多孔介质-结构边界 多物理场耦合。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的多层壳,其表面与周围声学域相耦合。 多层壳-声相互作用示例 多层壳-声相互作用的示例,其中层压板的顶面和底面与周围声学域相耦合。

多层壳接口新增结构耦合

复合材料层合板通常以不同的构型与实体或标准壳单元连接,用于模拟真实结构。为了给壳单元和实体单元提供不同类型的耦合,多层壳 接口添加了两个新的结构耦合:多层壳-结构包层多层壳-结构过渡将多层壳与实体和壳连接模型演示了这一功能。

该模型用于分析与实体单元和壳单元连接的多层壳中的应力分布,其中显示彩色图和彩色线框图。 与实体和壳单元连接的多层壳 在包层和过渡构型中连接到实体和壳单元的多层壳。图中显示多层壳(纯色图)以及实体和壳构件(彩色线框图)中的应力分布。

壳和膜接口中的多层线弹性材料

多层线弹性材料 功能改进了与壳和膜的集成。此材料模型已添加到 接口,可用于模拟具有低抗弯刚度且非常薄的层合板。此外,此材料模型现在还可用于 接口中的二维轴对称模型,而以前只能用于三维几何模型。

在 5.5 版本中,您可以通过“结构力学模块”使用单层壳和膜。通过“复合材料模块”,这些分析可以扩展到多层壳和膜,其中每一层都可以扩展为包含热膨胀和黏弹性。如果您同时拥有“非线性结构材料模块”,还可以使用塑性和蠕变。

多层壳中的混合公式

如果您只将位移用作自由度,则几乎不可压缩的材料会引起数值问题。为避免多层壳中出现此类问题,新版本在多层壳 接口中添加了基于压力和应变的混合公式。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的多层壳,其中显示混合公式选项。 多层壳中的混合公式示例 在多层壳中选择混合公式。

多层壳中的可变层厚度

您现在可以模拟厚度随坐标变化的复合材料层合板的一层或多层。这一新功能可以通过多层材料链接多层材料堆叠 节点中新增的缩放 设置来实现。多层壳 接口以及 接口中的多层线弹性材料 节点支持可变厚度层。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的夹层复合材料面板,中间层具有可变厚度。 可变厚度层 夹层复合材料面板模型,中间层(显示为洋红色)具有可变厚度。

多层材料中的变换选项

现在,您可以在定义层合板叠层顺序时执行各种变换操作。这一新功能可以通过多层材料链接多层材料堆叠 节点中的变换 设置来实现,其中包括对称反对称重复 等变换类型。这使得通过以下操作模拟复杂的叠层顺序变得更加容易:仅定义对称/反对称层合板的一半叠层顺序(如果是重复层合板,则只定义单个单元)。

以下模型使用了这一功能:

在 COMSOL Multiphysics 中建模的反对称层合板,其中显示“多层材料链接”设置。 使用多层材料链接功能 使用 多层材料链接节点中的新变换功能创建反对称层合板。

新的“界面选择”选项

在包含界面选择 设置的物理场节点中,您现在可以直接选择某些常见的界面位置:顶部、底部、外部、内部或全部,从而可以更方便地建立模型并且更容易理解。多层壳 接口中常用的一些物理场节点包括:面载荷分层弹性薄层

以下模型演示了这一特征:

在 COMSOL Multiphysics 中建模的复合材料层合板,模型中使用“界面选择”特征为其中一个界面快速施加面载荷。 使用“界面选择”特征 图中的选项用于选择要施加 面载荷的界面。

三维实体几何可视化

在对复杂的层合板结构进行建模时,一个有用的做法是将相应的三维实体几何可视化,结果图现在自动显示在多层壳 接口采用的新的默认绘图中。软件会基于多层材料(未变形几何) 数据集生成灰色表面图。

在 COMSOL Multiphysics 中建立的多层复合材料层合板模型,“图形”窗口中显示三维几何图形。 多层壳的三维实体几何可视化 六层复合材料层合板的三维实体几何表示(沿厚度方向缩放)。

纤维铺覆可视化

在建立多层材料模型时,您可以使用通过抽象几何图形创建的预览图将叠层顺序可视化。不过,通常需要在物理几何图形中将纤维铺覆可视化。5.5 版本的一个新增功能是创建默认绘图,从而在物理几何图形的每个铺层中将纤维方向可视化,此功能适用于使用多层壳 接口的模型。

在 COMSOL Multiphysics 中建立的多层圆柱体模型,其中显示每一层的纤维铺覆方向。 复合材料气瓶中的纤维铺覆 第一主材料方向,在复合材料气瓶的每一层显示纤维铺覆方向。

多层材料数据集增强功能

用于绘制和评估多层壳结果的多层材料 数据集现在包含新的选项,可供您选择要评估的层或界面。这使复合材料层合板模型的后处理变得更加容易,而以前仅支持边界选择。此外,在派生值 节点中进行求值时,您还可以使用新的“全厚度位置”选项。新的将多层壳与实体和壳连接模型演示了这一功能。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的多层壳结构和参考实体,其中将表面应力可视化,并显示“多层材料设置”。 使用多层材料数据集 用于在 多层材料数据集中选择层的选项,以便仅在选定的层中绘制物理量。

多层材料切面图功能更新

多层材料切面 图现在支持自动创建多个切面。此外,新版本还添加了以下新功能:

  • 在界面上绘图(以前仅支持在层上绘制)
  • 使用层中面或类似选项在多个层上绘图
  • 使用多个切面时定义布局
  • 为每个切面添加层名称

多层材料切面 图是复合材料层合板的重要绘图,新功能可以简化绘制结果所需的步骤。

在 COMSOL Multiphysics 建模的多层圆柱体,其中通过切面图显示每一层的应力。 创建多层材料切面图 用于在 多层材料切面图中选择层中面和定义布局的选项,以使用单个绘图节点在多个层中绘制物理量。

以下模型演示了这一功能:

全厚度图增强功能

对于包含许多层的复合材料层合板,添加界面线可以增加全厚度 图的清晰度。在 5.5 版本中,您可以自动添加这些界面线。除此之外,您还可以绘制物理量的全厚度变化图,这个量仅在层合板的一部分层上定义。

以下模型演示了这一功能:

新的教学案例和 App

5.5 版本新增了多个教学案例和 App。

层压壳中的渐进分层

复合材料层合板在压缩载荷作用下发生脱层,图中显示四个不同的载荷值,损伤区域显示为红色。 复合材料层合板的脱层:压缩载荷 复合材料层合板在压缩载荷作用下发生界面破坏(或脱层)。与不同载荷值对应的损伤区以红色显示。从图中可以看到层合板的外加载荷与总损伤面积,以便进行比较。

“案例库”标题:
progressive_delamination_in_a_laminated_shell
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复合材料层合板的混合模式分层

复合材料层合板在混合模式载荷作用下发生脱层,图中显示四个不同的张开位移,损伤区域显示为红色。 复合材料层合板的脱层:混合模式载荷 复合材料层合板在混合模式载荷作用下发生界面破坏(或脱层)。与不同张开位移对应的损伤区以红色显示。图中显示载荷与位移曲线的变化关系,并将层合板与等效实体模型进行比较。

“案例库”标题:
mixed_mode_delamination
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复合轮辋的应力和模态分析

复合材料汽车轮辋模型,其应力分布以黄色和深蓝色显示。 复合材料轮辋 由碳-环氧材料制成的复合材料轮辋模型,其中轮辋和轮辐中的层数不同。结果显示轮辋在指定充气压力和轮胎载荷下的应力分布。

“案例库”标题:
composite_wheel_rim
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多层壳中的压电现象

多层壳建模示例,其中在压电层中显示轴向压缩和面外位移。 采用压电材料的多层壳 中间嵌有压电层的多层壳。压电层(彩色线框图)和金属层(彩色图)分别显示轴向压缩和面外位移。

“案例库”标题:
piezoelectric_layered
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将多层壳与实体和壳连接

多层壳与实体和壳单元连接,图中显示了应力分布。 连接的多层壳 在包层和过渡构型中连接到实体和壳单元的多层壳模型。结果显示多层壳(彩色图)以及实体和壳构件(彩色线框图)中的应力分布。

“案例库”标题:
layered_shell_structure_connection
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