结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本为“结构力学模块”的用户引入了壳和膜的接触建模、壳的塑性、蠕变、黏塑性和黏弹性,以及用于管力学分析的物理场接口。请阅读以下内容,了解这些结构力学特征及其他新增功能。

接触建模功能得到扩展

接触建模功能已扩展到更多的物理场接口,现在可用于:固体力学多体动力学,壳(新)、多层壳(新)以及(新)。此外,您也可以分析通过其中任意两个接口建模的边界之间的接触。同样,您还可以对边界(以上任意接口在其中处于活动状态)与任意已划分网格的部分之间的接触进行建模,即使后者没有指派任何物理场亦是如此。

以下模型使用了这一新功能:

压在拱形结构上的块的彩虹色模型,该块的原始位置以黑色轮廓显示。 压在拱形结构上的块 一个实体块压在使用壳单元建模的拱形结构上。

塑性、蠕变、黏塑性和黏弹性扩展功能

接口现在提供塑性蠕变黏塑性黏弹性 特征,专用于模拟金属和合金的非弹性变形。这对于在模拟薄壁结构时减少计算时间起着非常重要的作用。您可以选择全厚度方向的积分点数量,获取精度和计算时间之间的平衡。金属框架的扭曲和弯曲正交材料压力容器 - 壳版本模型演示了这一新特征。

带有切口的金属框架模型,其中使用彩虹色表显示应力。 金属框架 使用 接口建模的薄壁框架在导致屈服的荷载水平下,由于发生扭曲和弯曲而产生的 von Mises 应力。

“剥离”增强功能

新版本现在提供两个基本系列的剥离模型:基于位移的损伤 和新增的基于能量的损伤。此外,您也可以使用新的指数分离 牵引分离定律进行建模。由于材料刚度的损失,剥离模型本质上是不稳定的,为了改善数值特性,您可以采用延迟损伤 正则化方法。

COMSOL Multiphysics UI 显示了“模型开发器”、“剥离”特征设置、载荷-位移曲线以及正在进行剥离的层压复合材料模型。 使用“基于位移的损伤”剥离模型 使用 基于位移的损伤剥离模型对层压复合材料进行剥离。

用于分析涉及传热的 FSI 问题的多物理场接口

在某些流-固耦合 (FSI) 问题中,流体与固体之间的传热非常重要。通常,这一过程还伴随着固体中的热致变形或应力。新版本新增了流-固耦合,共轭传热 多物理场接口,方便您建立包含这些效应的模型。该接口将三个物理场接口(固体和流体传热固体力学层流)与动网格和适当的多物理场耦合相结合。与所有其他 FSI 接口一样,该接口可以轻松地将流动从层流变为湍流。您可以在气流中的双金属片模型中查看这一新特征。

周围有气流的弯曲双金属片模型。 气流中的双金属片 双金属片周围的流动,金属片在流体加热作用下发生弯曲。

两相流流-固耦合

用于流-固耦合的多物理场接口套件添加了两个新条目用于分析两相流:流-固耦合,两相流,相场流-固耦合,两相流,相场,固定几何。当您从“模型向导”中选择流-固耦合,两相流,相场 选项后,系统会添加层流固体力学相场 接口,以及流-固耦合两相流 多物理场耦合及变形域 特征。固定几何选项包含相同的特征(变形域 特征除外)。您可以在两相流流-固耦合模型中看到这一新功能。

与薄壳相互作用的水(以蓝色显示)和空气(用流线表示)的模型。 两相流仿真 两相流(水和空气)与薄壳相互作用的仿真。蓝色表面是自由水边界。图中还显示了壳内位移和流动流线。

管力学分析

新的管力学 接口提供执行管道系统应力分析的功能。除了外部机械载荷,您还可以分析通过管壁的内压、轴向曳力和温度梯度。流体载荷可以直接从管道流 接口获取,温度可以从管道传热 接口获取。您可以在管道内流动与应力的耦合分析模型中看到这一新接口。

管道系统的三个建模结果显示如下:压力和速度以箭头和渐变蓝白色显示,温度以渐变红黄色显示,应力以彩虹色显示。 管道系统中流动、传热和力学的耦合分析 管道系统中流动、传热和力学耦合分析的结果:压力和速度(左)、温度(中)以及过度变形后的应力(右)。

旋转域中的固体力学

在模拟包含旋转域和静止域的混合系统中的多物理场问题时,可以在共转构型中使用固体力学 接口,从而只为相对于旋转的变形进行建模。与求解包含大型全局旋转在内的总位移相比,这种做法要有效得多。在许多情况下,甚至可以使用线性公式来求解力学问题。为此,旋转坐标系 特征提供了刚体转动和相对位移的叠加,用于控制其他物理场接口工作的空间坐标系。

两个并排的发电机转子模型,其中一个使用等值线和绿紫色渐变显示磁场,另一个以彩虹色显示应力。 发电机转子:磁场和应力 发电机模型,其中使用 固体力学接口对转子进行建模。结果显示磁场(左)和应力(右)。

梁之间的非刚性关节

您可以在 接口中指定在一个点相交的两条(或多条)边具有不连续的自由度。通过使用新的梁端释放 特征,您可以选择不连续的点以及释放梁端的方向(位移和/或旋转)。此功能可用于模拟框架中的内部铰链或其他机构,如新的门式起重机的应力分析模型。

COMSOL Multiphysics UI 显示“模型开发器”、“梁端释放”特征的“设置”窗口以及“图形”窗口中的门式起重机模型。 使用“梁端释放”特征 使用新的 梁端释放特征在门式起重机模型中引入铰链(沿 y 方向旋转)。

磁滞磁致伸缩材料

非线性磁致伸缩材料 已扩展为包含磁滞 Jiles–Atherton 模型,适用于研究电力变压器和旋转电机等应用中的滞后损耗效应。模型参数与磁性材料的微观物理效应有关,也可以根据实验数据进行估算。

并排显示的两个加热电路模型,其中显示了温度分布和应力。 研究磁滞损耗效应 磁滞磁致伸缩模型的设置,以及通过仿真生成的磁滞回线。

随机振动分析

如果载荷本质上是随机的,例如阵风的湍流或道路引起的车辆振动,对于这种情况,我们无法以确定的方式来描述这些载荷。使用随机响应分析的新功能,用户可以研究载荷响应,这些载荷由功率谱密度 (PSD) 表示。载荷可以完全相关、不相关或具有特定的用户定义互相关。计算结果的示例包括位移或应力的 PSD,以及频谱分布的均方根 (RMS) 值或较大的力矩。

以下模型演示了这一新功能:

以彩虹色表显示的主板三维模型。 随机振动作用下的主板 主板在给定加速度谱密度下经受振动测试时的均方根垂直加速度。

载荷可视化

现在,所有结构力学物理场接口都支持将施加的机械载荷作为默认绘图。由于载荷图与解相关,因此,使用新的解更新数据集时,箭头方向和颜色都会更新。即使是抽象载荷(如作用在刚性连接件和刚性域上的力和力矩),也会在它们的真正应用点上绘制出来。新版本为此功能引入了一个新的箭头类型,用于绘制作用力矩。超过 100 个模型使用这个新功能进行了更新。

三个管模型,其中使用红色箭头将各种机械载荷进行可视化。 管上载荷可视化 在管模型上绘制的三组载荷。

用户定义的膜材料

接口中添加了外部应力-应变关系 材料模型,您可以据此添加自己用 C 语言或其他编程语言编码的材料模型。

背景显示 COMSOL Multiphysics UI,前景显示一个包含 C 代码的窗口。 添加用户定义的外部材料 接口中添加外部材料(左)和 C 代码样例(右)。

壳的刚性连接件中的点选择

现在,您可以在 接口的刚性连接件 特征中选择点和边。这样,就可以在点级别添加一个仅连接到一组点的刚性连接件,从而可以更轻松地创建简化的螺栓连接或铆接等各种连接。

通过多个点连接到板上的管模型的详图。 连接到一组点的管 通过刚性连接件连接到板上八个点的管。

壳和板的直接刚度输入

接口中,您现在可以使用膜和抗弯刚度来描述横截面的弹性刚度,而不是通过材料数据和厚度来描述。这种新的截面刚度 材料模型有助于对均质的复杂结构(例如波纹板)进行建模。此外,您也可以在柔度表单中提供输入。

通常,由于局部细节被移除,往往很难直接计算均质材料中的应力。因此,在只需要考虑刚度的情况下,这种材料模型最为有用。不过,对于这种操作已明确定义的情况,您可以选择输入表达式来确定如何根据截面力计算应力。

薄结构传热的多物理场耦合

热膨胀的影响在固体以及像壳和膜这样的薄结构中非常重要。新版本添加了多物理场耦合,用于将薄结构传热分析计算出的温度自动传递到相应的结构力学接口。

为此,新版本新增了三个多物理场接口:

  • 热应力,壳壳传热 的耦合接口
  • 热应力,多层壳壳传热多层壳 的耦合接口
  • 热应力,膜壳传热 的耦合接口

不仅如此,您还可以从固体传热 接口中的薄层 特征连接到结构力学接口。

更新的加热电路模型演示了这一功能。

并排显示的两个加热电路模型,其中显示了温度分布和应力。 加热电路的多物理场模型 加热电路中的温度分布(左)和应力(右)。薄导电层使用 接口建模,基板使用 固体力学接口建模。两个接口都通过多物理场耦合接收传热分析得到的温度。

具有质量的弹性薄层

弹性薄层 特征专用于对厚度比几何结构其余部分更薄的层进行抽象建模,其功能通过新增的质量分布得到了增强。这对于高保真结构动力学仿真起着重要的作用。

新的“弹性波,时域显式”物理场接口

新的弹性波,时域显式 物理场接口基于间断伽辽金时域显式方法,可以对弹性波在固体中的传播实现高效多核计算,其中包含的的特征可以提供真实的材料数据,包括各向异性和阻尼。该接口适用于模拟超声波在换能器和传感器等固体中的传播,无损检测 (NDT) 应用,以及涉及许多波长上的瞬态传播(包括地震波在土壤和岩石中的传播)的任何大型声学系统。

您可以在以下模型中看到这一新接口的应用演示:

“声-结构相互作用,时域显式”接口的多物理场

新版本为大型瞬态声-结构相互作用仿真提供了新的声-结构相互作用,时域显式 多物理场耦合,可以将压力声学,时域显式 和新的弹性波,时域显式 物理场接口相结合。为了充分利用时域显式公式,在耦合具有不同属性的域时,必须使用不相容网格。这是通过使用处理几何装配的新的对;声-结构边界,时域显式 多物理场耦合来实现的。不相容网格的使用是对不连续单元属性的自然扩展和使用。您可以在浸入式超声检测装置模型中看到此功能的应用演示。


新的教学案例

5.5 版本新增了多个教学案例。

门式起重机的应力分析
带有内部铰链的门式起重机的模型,其中通过紫色到黄色的颜色渐变和向下的绿色箭头将挠度和应力可视化。 带有内部铰链的门式起重机 本教学案例介绍如何对框架中的内部铰链进行建模。结果显示带有内部铰链的门式起重机的挠度和应力。

“案例库”标题:
portal_crane

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应变率相关塑性拉伸试验
经过高应变率拉伸试验后的试样模型,其中使用彩虹色表显示应力,并用黑色等值线显示等效塑性应变。 高应变率拉伸试验 高应变率拉伸试验后的应力(彩色图)和等效塑性应变(等值线)。

“案例库”标题:
strain_rate_dependent_plasticity

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气流中的双金属片
周围有气流的弯曲双金属片模型。 气流中的双金属片 双金属片周围的流动,金属片在流体加热作用下发生弯曲。

“案例库”标题:
bimetallic_strip_fsi

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两相流流-固耦合
弹性薄膜模型,其周围是蓝色液体流动。 流-固耦合 本教学案例已使用弹性薄膜与具有自由表面的液体的流-固耦合进行更新。

“案例库”标题:
twophase_flow_fsi

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块体挤压拱
压在拱形结构上的块的彩虹色模型,该块的原始位置以黑色轮廓显示。 压在拱形结构上的块 一个实体块压在使用壳单元建模的拱形结构上。

“案例库”标题:
block_on_arch

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管道内流动与应力的耦合分析
管弯头模型,其中应力和变形通过箭头和彩虹色显示,压力和流体速度通过箭头和渐变蓝白色显示。 管道中的流动和应力 流体载荷和重力作用下的管应力分析。结果显示压力和流体速度(下)以及 von Mises 应力和变形(上)。

“案例库”标题:
pipe_flow_stress

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两个接触拱的不稳定性
两个相互接触的拱,其中上面的拱推动下面的拱,处于五个变形阶段。 两个接触拱的变形演变 随着上拱迫使下拱向下而出现的变形和应力演变。本例使用 接口计算接触问题,并跟踪突跳路径。

“案例库”标题:
two_arches

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深梁的随机振动分析
频率为 0 到 180 与频率 20 到 60 情况下的随机响应一维绘图,峰值在 40 到 45 赫兹之间。 功率谱密度 受白噪声影响的光束中点的功率谱密度。

“案例库”标题:
random_vibration_deep_beam

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支架 - 随机振动分析
灰色支架的三维模型,应力以红色显示。 随机振动作用下的支架 承受随机振动载荷的支架中的均方根应力。

“案例库”标题:
bracket_random_vibration

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主板的随机振动
以彩虹色表显示的主板三维模型。 随机振动作用下的主板 主板在给定加速度谱密度下经受振动测试时的均方根垂直加速度。

“案例库”标题:
motherboard_random_vibration

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黏弹性结构阻尼器的特征模态
变形的结构阻尼器模型以绿色和紫色显示,其原始位置以黑色轮廓显示。 阻尼器 阻尼器模型中的第二个特征模态,由于黏弹性材料的频率相关性,我们需要求解每个固有频率的非线性特征值问题。

“案例库”标题:
viscoelastic_damper_eigenmodes

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金属框架的扭曲和弯曲
带有切口的金属框架模型,其中使用彩虹色表显示应力。 金属框架 使用 接口建模的薄壁框架在导致屈服的荷载水平下,由于发生扭曲和弯曲而产生的 von Mises 应力。

“案例库”标题:
frame_with_cutout_plasticity

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正交材料压力容器 - 壳版本
彩虹色压力容器模型,其中红色箭头从模型内部指向壳。 压力容器 压力容器模型,在开始屈服时产生 von Mises 应力。

“案例库”标题:
orthotropic_container_shell

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桁架塔的灵敏度分析
并排显示的两个桁架塔模型,其中红色箭头显示弯曲和扭转方向。 弯曲和扭转情况下的桁架塔 塔顶扭转位移相对于钢筋横截面积的灵敏度。本例研究两种载荷工况:弯曲和扭转。

“案例库”标题:
tower_sensitivity

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支架 - 拓扑优化
灰色支架设计和拓扑优化后的支架设计,使用的材料少得多。 两种支架设计 模型受到八种载荷工况之一,并由此产生变形的原始设计空间和经过优化的结构。

“案例库”标题:
bracket_topology_optimization_stl

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各向同性-各向异性试样:弹性波传播
30 和 60 微秒时弹性波的灰度模型。 各向同性和各向异性材料 这是一个二维教学案例,测试样本由一侧的各向同性材料和另一侧的各向异性材料(横向各向异性锌晶体)组成。样本中的弹性波由 0.17 MHz 下调制的点状力激励。

“案例库”标题:
isotropic_anisotropic_sample

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地震后的地面运动:一座小山的散射
黑线表示地面,小山和弹性波表示为地面下的紫色和青绿色半圆。 地面和一座小山 本例使用 弹性波,时域显式物理场接口对地震事件后弹性波在地面中的传播进行建模。

“案例库”标题:
ground_motion_seismic_event

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