结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“结构力学模块”的用户引入了动态接触分析、用于模拟裂纹的内置功能以及用于分析机械磨损的新方法。请阅读以下内容,进一步了解“结构力学模块”的新增功能及其他更新。

动态接触

动态接触的新算法大大改善了瞬态接触事件期间动量和能量的守恒,这意味着您可以用比之前版本大得多的时间步对瞬态接触问题进行精确建模。通过在接触 节点中选择罚函数,动态增广拉格朗日,动态 公式,可以使用新方法。您可以在新的两个软环之间的碰撞高尔夫球的冲击分析教学案例中看到此功能的应用演示。

裂纹建模

固体力学 接口中提供的新裂纹 节点可用于不同类型的断裂力学仿真。应用于内部边界时,两侧会断开连接。裂纹可以是理想的,也可以用几何中单独的面来建模。通过添加 J 积分 子节点,您可以计算二维、二维轴对称和三维中的 J 积分和应力强度因子。一个特殊的面载荷 子节点可用于指定裂纹面上的载荷。以下模型演示了这一新特征:

分支裂纹模型的两个视图,左图以彩虹颜色显示 von Mises 应力,黑色箭头指向上、下、右和左;右图显示黑线和红色箭头,以及以下 J 积分值:1265.2、2591.3 和 1508.5。 裂纹建模示例 均匀应力场中的分支裂纹。左:von Mises 应力。右:J 积分路径和计算值的默认绘图。

磨损仿真

新版本在固体力学多体动力学 接口的接触 节点下,以新的磨损 节点的形式添加了用于机械磨损建模的方法。磨损率基于广义 Archard 方程进行计算。磨损建模有两种算法:对于一般的磨损,以及由于磨损引起的任意几何变化,可以使用变形几何方法;另一种简化的方法是,将磨损合并到接触间隙的偏移中。您可以在新的盘式刹车片磨损教学案例中查看磨损 特征的应用演示。

盘式刹车片磨损的进展情况(速度箭头仅用于可视化目的)。

嵌入加强件

通过新的嵌入加强件 多物理场耦合,您可以将桁架 接口中的边单元和 接口中的表面单元插入到用固体力学 模拟的域中。较低维接口中的网格独立于域网格,目的是对嵌入加强件和传感器等结构进行建模。连接可以是完全刚性的,也可以是柔性的。您还可以为嵌入的单元和周围实体之间的剥离建模。您可以在更新的含钢筋条的混凝土梁教学案例中看到这一新耦合的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面,显示了“模型开发器”、“嵌入加强件”设置,“图形”窗口中以彩虹颜色显示带钢筋的混凝土梁模型。 嵌入加强件模型 使用 嵌入加强件多物理场耦合模拟的嵌入混凝土梁中钢筋的轴向应力。

电致伸缩多物理场接口

使用新的电致伸缩 多物理场接口,您可以模拟电致伸缩现象,即电场引起与极化平方成正比的应变的情况。该接口将添加固体力学静电 接口,以及新的电致伸缩 多物理场耦合。在静电 中,使用的是标准的电荷守恒 材料模型。请注意,需要“AC/DC 模块”才能实现此功能。

铁电弹性多物理场接口

新的铁电弹性 多物理场接口用于分析具有非线性压电属性的铁电材料。该多物理场接口将添加固体力学静电 接口,以及新的电致伸缩 多物理场耦合。在静电 中,新的电荷守恒,铁电 材料模型用于模拟使用Jiles-Atherton 模型的磁滞等现象。您可以在新的压电陶瓷的磁滞现象教学案例中看到此接口的应用演示。请注意,需要“AC/DC 模块”才能实现此功能。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,其中显示“模型开发器”、“电荷守恒,铁电”设置,“图形”窗口中显示一个蓝色几何,还显示一个电致伸缩应变张量的点图。 模拟铁电弹性 电致伸缩应变随三个不同振幅的谐波变化电场而变化的示例。

管力学的过渡多物理场耦合

添加了新的结构-管连接 多物理场耦合,以便于从管力学 接口过渡到固体力学 接口。目的是在管力学 接口中的线表示与管几何形状存在过渡的更精确的三维表示之间进行切换。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面特写视图,其中显示“模型开发器”、“结构-管连接”设置,“图形”窗口中显示一个弯管模型几何,还以彩虹颜色表显示一个 von Mises 应力模型图。 管力学示例 从使用 管力学模拟的管到接口(顶部)和 固体力学接口(底部)的过渡。

梁和管的单向约束

管力学 接口中的指定位移/旋转 节点增加了一个名为有限位移 的选项,功能得到增强。选择此选项后,您可以定义位移的上限和下限,尤其有助于模拟单向支架上的梁。

此选项可用于点约束和边约束。

四个彩虹条垂直穿过三个灰色条,黑色箭头指向下方。 单向支架上的梁建模 均匀荷载梁跨中的单向支撑。支架位于梁下方一定距离处。除了载荷大小之外,所有四根梁特性都相同。灰色条表示支架,但不是模型的一部分。

流体-管相互作用,固定几何多物理场接口

在对流-固耦合 (FSI) 进行建模时,用户可以使用新的流体-管相互作用,固定几何 接口来考虑流体载荷对结构分析的影响。新的流体-管相互作用 多物理场耦合将管道流管力学 接口相结合,可以全方位分析内部压力、曳力、弯管载荷以及接头载荷,从而更精确地进行流-固耦合仿真。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的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本用户界面,其中显示“流体-管相互作用”耦合的设置,“图形”窗口显示了管道流模型。 演示“流体-管相互作用”多物理场耦合 使用 流体-管相互作用多物理场耦合计算的管中的应力和变形。

用于连接点的弹簧和阻尼器

所有结构力学接口中都添加了一个名为弹簧阻尼器 的新特征,以使用弹簧和/或阻尼器连接两个点。这些点可以是几何上的点,也可以是抽象的点,例如,通过使用连接件或者直接与刚体连接。弹簧可以是物理的,沿两点之间的线施加一个力,也可以通过完整的矩阵进行描述,连接两个点上的所有平移和旋转自由度。此外,该特征还可以连接两个不同物理场接口中的点之间的弹簧。

弹性波传播的端口边界条件

固体力学 接口提供新的端口 边界条件,用于激励和吸收进入或离开固体波导结构的弹性波。给定的端口 条件支持一种特定的传播模式。通过在同一边界上组合多个端口 条件,可以对传播波的混合进行一致的处理,如纵向、扭转和横向模式。例如,具有多个端口 条件的组合设置为波导提供了优越的非反射条件,以实现完美匹配层 (PML) 配置或低反射边界 特征等。端口条件支持 S 参数(散射参数)计算,但它也可以用作激励系统的源。反射波和透射波的功率可用于后处理。为了计算和识别传播模式,可以将边界模式分析 研究与端口条件相结合。您可以在新的机械多端口系统:弹性波在小铝板中的传播教学案例中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,其中显示“模型开发器”、“端口”设置,右侧是一个彩虹表面图,显示四端口结构的位移大小。 演示端口边界条件 四端口结构示例。

用固体力学求解瞬态弹性波问题的新设置

固体力学 接口中引入了新设置,可确保在时域中求解弹性波问题时有一个正确、有效的求解器设置。这些设置类似于瞬态声学接口中的现有设置。固体力学 接口节点中引入了一个新的瞬态求解器设置 栏,其中包含一个选项来指定要求解的最大频率。这应该是源激励的最大频率组成或可被激励的最大特征模态频率。自动生成的求解器建议将具有针对波传播使用适当求解器方法的设置,并确保在时间和空间上具有适当的分辨率。

刚性连接件的功能改进

刚性连接件 特征进行了多项改进。在 接口中,选择选项已扩展到顶层,分别为边界和边。当旋转中心由点选择定义时,该点不再必须是物理场接口本身的一部分。您可以将来自不同物理场接口的刚性连接件进行耦合,从而定义一种新的虚拟刚性对象类型(此选择位于刚性连接件设置的高级 栏中)。在固体力学 接口中,您可以基于 NASTRAN® 格式的导入文件中的 RBE2 单元自动生成刚性连接件。这可以通过这些接口设置中名为自动建模 的栏进行控制。为了模拟所导入文件中的连接,刚性连接件可以属于多个物理场接口。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本中的“图形”窗口,其中显示灰色实体和橙色螺栓。 刚性连接的螺栓 使用接口建模的螺栓的端点与使用 固体力学接口建模的实体面上的某些边界刚性连接。

已知滑动速度的摩擦

在一些应用中,摩擦力的方向是已知的,这是因为两个物体以给定的相对速度彼此相对滑动。在此例中,无需求解摩擦力,从而可以显著加快求解速度。在接触 节点下作为子节点添加的滑移速度 特征可用于上述情况。该节点的输入类似于摩擦 节点的输入。您可以在新的盘式刹车片磨损模型中看到这一新特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,显示了“模型开发器”、“滑移速度”设置,右侧绘图显示了盘式制动器模型中的摩擦力模。 使用滑移速度特征对摩擦建模 在本例中,由于相对运动可以通过解析方式来表示,因此可以使用 滑移速度节点对制动盘和刹车片之间的摩擦进行建模。表面图显示摩擦力的大小。

计算桁架结构中的局部屈曲

此版本添加了一组变量来表示桁架结构每个构件抵抗局部屈曲的安全裕度。您可以在横截面数据 节点设置 窗口的新局部屈曲 栏中提供用于计算的输入数据。即使每个构件仅用单个桁架单元建模,这也可以预测局部屈曲的风险。如果要执行完整的屈曲分析,每个构件都必须由多个梁单元建模,每个节点的所有旋转自由度都是断开的。

两个桁架塔模型,一个显示全局屈曲,其中黑色线框表示塔的原始位置,另一个以 Cividis 颜色表显示局部屈曲失效指数。 桁架塔屈曲 施加全局屈曲载荷后的全局屈曲形状(左)和局部屈曲失效指数(右)。由于失效指数超过 1,因此在达到全局屈曲载荷之前会发生局部屈曲。

用于指定旋转坐标系速度的新选项

此版本在固体力学多体动力学 接口的旋转坐标系 节点中添加了新的刚体 选项。通过此选项,您可以输入一个绕旋转轴的瞬态扭矩,然后通过对刚体运动方程进行积分来计算旋转速度。

桁架接口中材料的激活

桁架 接口中添加了用于激活和停用材料的功能。线弹性材料 下的激活 子节点可用于模拟在不同阶段添加钢筋的构造过程。

接触改进

除了新的动态接触和磨损功能之外,接触力学领域还进行了其他一些改进。您可以将全耦合的求解器与增广拉格朗日接触算法一起使用,从而可以更轻松地设置求解器序列,并提高某些问题的稳定性和收敛性。另外,在接触 下的摩擦 子节点中,您可以选择用户定义 作为摩擦 模型,以直接输入引起任何其他变量滑动的切向力的表达式。最后,针对罚函数法和增广拉格朗日法,提出了多种提供罚因子的新方法。

根据位移计算旋转

在以位移为自由度的物理场接口中,有时需要研究一个区域的旋转。为此,您可以添加新的平均旋转 节点,该节点使用一组点的位移来生成表示旋转的变量。如果给定了三个以上的点,则采用最小二乘方案对整个点集进行刚体转动的最佳近似。此外,可以计算角速度和加速度。您可以在新的高尔夫球的冲击分析和更新的桁架塔的灵敏度分析教学案例中看到这一新特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面,显示了“模型开发器”、“平均旋转”设置,“图形”窗口中显示高尔夫球杆和球的轮廓。 计算平均旋转的示例 选择高尔夫球上的 6 个点,以计算击球后的平均线速度和角速度。

直接输入梁截面刚度

接口中引入了新的材料模型截面刚度。在这里,您可以直接输入轴向刚度、抗弯刚度等数据。这种材料模型的目的是便于对复杂的梁截面进行建模,在这种情况下,不能从单一的弹性材料和横截面的几何属性推导出刚度属性,像复合梁的情况一样。

多层线弹性材料中的混合公式

接口中的多层线弹性材料 节点现在支持使用混合公式。混合公式支持压力公式应变公式,可用于提高低压缩性材料的精度。

“结构力学模块”提供单层壳中的混合公式。如果“复合材料模块”可用,混合公式也可用于多层壳。

多层线弹性材料中的黏滞阻尼

现在可以在 接口中多层线弹性材料 下的阻尼 子节点中添加黏滞阻尼。

“结构力学模块”提供单层壳的黏滞阻尼。如果“复合材料模块”可用,黏滞阻尼也可用于多层壳,并且各层可具有不同的阻尼值。

壳接口中的多层超弹性材料

固体力学 接口中提供的所有超弹性材料 模型现在都可以用于 接口中的多层超弹性材料 节点。如果“复合材料模块”可用,材料模型也可用于多层壳,并且各个层可具有不同的材料模型。

黏弹性改进

此版本添加了两个新的黏弹性模型:麦克斯韦广义 Kelvin-Voigt。麦克斯韦材料可以认为是液体的一种,原因是它在恒定应力下的长期变形是无限的。广义 Kelvin-Voigt 模型具有带多个时间常数的 Prony 级数表示。从概念上讲,它由一组串联的开尔文元件(并联的弹簧和阻尼元件)组成。

对于频域分析,所有的黏弹性模型(广义麦克斯韦广义 Kelvin-Voigt麦克斯韦Kelvin-Voigt标准线性固体伯格斯 )都用分数导数符号表示进行了功能增强。使用分数时间导数符号表示可以更轻松地将材料数据拟合到某些材料的实验中。对于使用广义麦克斯韦标准线性固体 黏弹性模型的时域分析,性能提高了一个数量级。

Tool–Narayanaswamy–Moynihan 转换函数通常用于描述玻璃和聚合物的玻璃化转变温度,已添加到黏弹性 节点的转换函数集中。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“结构力学模块”引入了多个新的教学案例。

盘式刹车片磨损

金属盘式刹车片模型,其中刹车片以红色、白色、蓝色和深灰色箭头显示,指示了转向方向。 盘式刹车片模型 计算出的刹车片磨损。

“案例库”标题:
disc_brake_wear

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两个软环之间的碰撞

一个黄色软环和一个红色软环彼此部分接触。 两个软环 一个软环落在另一个环上。显示了环接触时的变形状态。

“案例库”标题:
ring_impact

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带角裂纹的板

带黑线和红色箭头的灰色矩形表示有角度的裂纹,带白色有角度狭缝的蓝色模型表示裂纹。 板中的有角度裂纹的模型 针对裂纹的不同角度,分析了板中的内部裂纹。计算了模式 I 和模式 II 的应力强度因子。

“案例库”标题:
angle_crack_plate

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表面裂纹圆柱

带红色、白色和蓝色裂纹的金属圆柱体内部特写视图。 表面裂纹圆柱模型 分析了内压作用下圆柱管中的半椭圆形裂纹。研究了裂纹前沿的应力强度因子。

“案例库”标题:
surface_cracked_cylinder

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机械多端口系统:弹性波在小铝板中的传播

以彩虹颜色表显示的四端口结构模型。 机械多端口系统模型 四端口结构示例。

“案例库”标题:
mechanical_multiport_system

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压电陶瓷的磁滞现象

极化和电致伸缩应变的一维绘图。 压电陶瓷的磁滞现象模型 极化(蓝色)和电致伸缩应变(绿色)随具有铁电属性的压电材料中的外加电场变化的情况。

“案例库”标题:
piezoelectric_hysteresis

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支架 - 一般周期性动力学分析

作用力和位移响应的一维绘图。 支架的一般周期性动力分析 周期性非谐波载荷作用下结构中的作用力(蓝色)和位移响应(绿色)。

“案例库”标题:
bracket_general_periodic

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