用于结构分析的有限元分析软件

“结构力学模块”是 COMSOL Multiphysics® 平台的附加专业模块,包含用于固体结构机械特性分析的各种建模功能和工具,可应用于机械工程、土木工程、岩土力学、生物力学和微机电系统等领域。借助于 “结构力学模块”,您可以求解应力和应变水平、变形、刚度和柔度、固有频率、动载荷响应以及屈曲不稳定性等多种问题。

将“结构力学模块”与 COMSOL® 产品套件中的其他模块相结合,可以进一步扩展建模功能,考虑传热、电磁和流体流动等物理效应,实现在一个仿真环境中多种物理效应的耦合分析和求解。

“结构力学模块”支持运行以下各类分析:

  • 稳态
  • 特征频率
    • 无阻尼
    • 有阻尼
    • 预应力
  • 瞬态
    • 直接叠加或模态叠加
  • 频率响应
    • 直接叠加或模态叠加
    • 预应力
  • 参数化
  • 准静态
  • 线性屈曲
  • 模式分析
  • 模态降阶

结构力学模块支持的建模对象

COMSOL Multiphysics® 有限元分析软件提供了一系列预置的物理场接口,接口中包含丰富的专用建模设置,帮助您轻松的完成模型的创建和运行。“结构力学模块”包含了预置的材料模型可供您选择使用,还支持用户自定义材料模型。当与优化模块结合使用时,用户可以对几何尺寸、载荷及材料属性等设计参数进行优化。

请阅读下文,了解有关“结构力学模块”支持的建模对象的更多详细信息。

Did You Know? 物理场接口是预定义的软件包,其中包含用于特定领域物理场仿真的单元公式、材料模型和边界条件。

固体力学 接口提供了最通用的固体结构分析方法,支持三维、二维(平面应力、平面应变和广义平面应变)及二维轴对称分析。结合几何非线性公式,您可以分析任意大角度的旋转和任意大应变的情况。

根据您的具体问题,接口提供了丰富的材料模型来准确描述固体力学问题,您还可以通过 ‘基于方程建模’ 来轻松扩展这些特征,软件支持使用常数、空间变化的表达式或非线性表达式、查找表或各项的组合来自定义材料属性。

接触建模可以考虑静摩擦和动摩擦、粘附及剥离的影响,相互接触的物体可以发生任意大的相对位移。

 

在处理薄结构时,使用壳(三维)和板(二维)单元可以提高建模效率,相应接口支持对厚壳模型中横向剪切变形的分析。当直接在 3D 几何实体中操作时,可以通过指定相对于选定表面法向的偏移量,来确定壳单元的位置;而对于分析所得结果,也可以呈现在两个平行表面上,从而有效实现三维可视化。

薄膜和纤维织物等非常薄的结构需要使用不含抗弯刚度的公式。这可以在 接口中实现,其中三维曲面应力单元用于计算面内和面外位移。在研究这类结构时,普遍的做法是从预应力状态开始分析。

含壳的支架模型示例。 模型中创建了实体-壳连接,以运行支架分析。左图:壳的顶面(黑色)和底面(白色),实体部分显示为银色。右图:彩色图显示支架中的应力。

“结构力学模块”包含专用于梁建模的单元类型,由于梁为细长结构,可以通过面积和惯性矩等横截面属性进行完整描述。模块中的内置公式可用于计算细长梁(Euler-Bernoulli 理论)和厚梁(Timoshenko 理论)。通过预定义的耦合,您可以将梁与其他单元类型混合使用,研究梁对实体和壳结构的加强作用。

接口包含许多内置的横截面类型:

  • 矩形
  • 箱形
  • 圆形
  • 管形
  • H 型
  • U 型
  • T 型
  • C 型
  • 帽型
  • 用户定义

您还可以评估任意二维横截面的属性,并将其用于梁分析过程。

除此之外,“结构力学模块”还支持模拟只承受轴向力的细长结构(桁架)。模块中的这些单元还可用于模拟下垂电缆和加强筯。

 

“结构力学模块”提供许多不同的载荷和约束,有助于实现高保真建模。

示例:

  • 域、边界和边上的分布载荷
  • 总力
  • 随动载荷
  • 重力
  • 移动载荷
  • 具有离心力、科里奥利力和欧拉力的旋转坐标系
  • 弹簧和阻尼器
  • 附加质量
  • 指定位移、速度和加速度
  • 周期性边界条件
  • 低反射边界
  • 完美匹配层(PML)
  • 无限元
 

该模块提供多个功能用于特殊类型的建模,如:

  • 刚性连接件
  • 刚性域
  • 螺栓预紧力
  • 螺栓螺纹接触建模
  • 应力线性化
  • 安全系数表达式
  • 载荷工况叠加
使用“结构力学模块”为螺栓预紧力建模的示例。 这个管路连接模型不仅包含螺栓预紧力,还包含应力线性化。

“结构力学模块”提供线弹性、粘弹性和压电材料模型,您也可以添加非线性结构材料模块岩土力学模块,对非线性材料进行建模。

您可以通过多种方式来扩展现有的材料模型,也可以创建自己的材料模型:

  • 在材料属性的输入框中直接输入与其他物理场接口中的应力、应变、空间坐标、时间或场相关的表达式
  • 在频域分析中,您可以输入复数值表达式
  • 您可以添加额外的偏微分方程或常微分方程,加入非弹性应变贡献
  • 还可以使用 C 代码编程的外部函数,在 COMSOL Multiphysics® 软件中加入您自己的材料模型

材料模型还可以包含热膨胀、吸湿膨胀、预应力和预应变,以及多种类型的阻尼。材料属性可以是各向同性、正交各向异性或完全各向异性。

“非线性结构材料模块”和“岩土力学模块”对“结构力学模块”的功能进行了扩展,其中包含各种各样的非线性材料模型。这些附加产品无缝集成在 COMSOL Multiphysics® GUI 中,可用于纯非线性力学分析,也可以同其他附加产品相结合,用于执行多物理场分析。其中提供超过 75 种不同的材料模型,供您执行结构力学分析。

非线性材料:

  • 弹塑性
  • 超弹性
  • 非线性弹性
  • 粘塑性
  • 蠕变
  • 多孔塑性
  • 形状记忆合金
  • 土壤塑性
  • 混凝土
  • 岩石
  • 用户定义的材料
在结构力学模型中使用粘弹性材料模型的示例。 使用粘弹性材料模型模拟用于结构减振的阻尼器。

您可以使用疲劳模块计算结构的疲劳寿命,它是“结构力学模块”的一个附加模块。“疲劳模块”与 COMSOL Multiphysics® 仿真环境完全集成,可用于进行各种疲劳分析,包括基于应变、应力和能量的疲劳等。

疲劳分析:

  • 高周疲劳
    • 基于应力范围
  • 低周疲劳
    • 基于应变范围或能耗
  • 雨流计数法
  • 累积损伤
  • 基于临界面法的多轴疲劳
  • 振动疲劳
轮辋模型的疲劳分析。 图中显示,在执行高周疲劳分析后,轮辋辐条处的疲劳使用因子最大。

多体动力学模块用于分析多体系统,这是“结构力学模块”的附加模块,其中提供各种功能全面的工具,用于模拟柔性体和刚体混合系统。通过将该模块与固体力学 接口耦合,您便可以访问所有结构力学特征。

多体动力学功能:

  • 10 余种不同的关节可用于二维和三维分析
  • 弹簧和阻尼器
  • 齿轮
  • 静态、瞬态、特征频率和频域分析
  • 集总机械系统
洗衣机的多体动力学模型。 通过对振动洗衣机执行特征频率分析得到了振型,通过瞬态分析得到了相关位移。

添加转子动力学模块,可以模拟旋转电机中的零部件,其中的不对称和旋转可能导致不稳定和破坏性共振。

转子动力学功能:

  • 实体或梁理想化
  • 液体动压轴承
  • 轴颈轴承和推力轴承
  • 滚子轴承
  • 坎贝尔图
  • 轨道
  • 瀑布图和回旋图
往复式发动机曲轴的转子动力学模型。 往复式发动机曲轴作为一个具有液体动压轴承的实心转子进行建模,仿真结果显示了曲轴中的应力以及轴承的流体压力、轴颈轨迹和横向位移。

导入 CAD 几何

为了基于第三方 CAD 软件生成的结构设计运行仿真,您可以选择以下接口产品与 COMSOL Multiphysics® 实现连接。

CAD 导入模块和设计模块

使用 CAD 导入模块可以将各种符合行业标准的 CAD 格式导入 COMSOL Multiphysics® 进行仿真分析。可用特征包括用于修复和清理 CAD 几何的选项,以便进行网格剖分和分析;此外,这些特征还支持访问 Parasolid® 几何内核,使您能够使用高级实体选项。设计模块也包含这些特征,除此之外,还支持以下三维 CAD 操作:放样、倒圆角、倒斜角、中面和加厚。

使用 LiveLink™ 接口产品实现连接

您可以从一系列接口产品中选择合适的产品,将设计从 CAD 软件导入 COMSOL Multiphysics®,执行高级仿真。通过使用 LiveLink™ 产品,您可以保留 CAD 原生模型的参数表示,以便在 COMSOL® 软件中执行参数化研究和优化,而无需重构模型参数。

不仅如此,您还可以同时更新 CAD 系统和 COMSOL Multiphysics® 中的几何参数,并基于多个不同的建模参数执行参数化扫描和设计优化。

接口产品支持用于以下软件:

  • SOLIDWORKS®
  • Inventor®
  • AutoCAD®
  • PTC® Creo® Parametric™
  • PTC® Pro/ENGINEER®
  • Solid Edge®
管件模型,其中的几何从外部导入 COMSOL 软件。 在 COMSOL Multiphysics® 中导入外部管件几何并进行分析。几何被简化成二维轴对称模型。分析结果显示了钢制接头处的应力和接触点的压力。

实现多物理场耦合,扩展结构力学分析

在许多情况下,结构性能都与其他物理现象紧密耦合。COMSOL Multiphysics® 的一大优点是,您可以轻松地在同一个软件环境中混合分析两种或多种相互作用。该模块针对许多常见的情况提供多个内置的耦合特征,如下所述。对于其他情况,您也可以自己轻松建立耦合。

流-固耦合

该接口用于研究流体与固体结构之间的相互作用,包括流体压力和粘性力。作为流体边界条件的结构变形可以是任意大小。

热应力

使用专用的多物理场耦合来模拟热应力和热弹性阻尼。结构的材料属性也可能与温度场相关。接触应力不仅会影响力学求解结果,还会影响通过接触表面的热通量。

振动、声学和弹性波

通过添加声学模块,可以研究声-结构相互作用;振动;声-壳、固-声和压电-声相互作用;以及弹性波的传播。

地下水流

通过添加地下水流模块,可以引入多孔弹性和多孔介质流动,从而增强固体力学接口的功能。

压电和磁致伸缩

您可以使用固体力学静电 接口之间的内置耦合,精确模拟压电器件。接口中包含许多常用压电材料的材料属性。

通过将 AC/DC 模块与“结构力学模块”相结合,可以耦合固体力学和磁性物理学,根据磁致伸缩原理,为这种类型的传感器和执行器建模。

MEMS 结构和压阻效应

添加 MEMS 模块,用于专门针对 MEMS 的结构仿真。您可以使用内置的耦合功能,轻松分析压阻效应、静电力引起的机电偏向以及电致伸缩。

高频电磁学

这一特征将“结构力学模块”与 RF 模块波动光学模块射线光学模块相结合,用于分析机械变形和应力对射频、微波或光学器件性能的影响。

低频电磁学

该特征将 AC/DC 模块与“结构力学模块”相结合,可以在结构分析中添加电磁效应,例如电磁力引起的变形、焦耳热引起的热膨胀以及电-热-机械接触。

挤压铝制品建模的多物理场示例,其中包含流-固耦合及热应力分析。 在铝挤压工艺仿真中,包含流-固耦合及热应力分析。
压电换能器模型的多物理场示例。 该压电换能器模型求解换能器在电载荷作用下的应力和变形,以及产生的声压。
使用 COMSOL Multiphysics 软件进行非线性磁致伸缩建模的示例。 通过为磁致伸缩换能器进行建模,分析换能器中的应力和位移,以及整个磁场。
使用 COMSOL Multiphysics 软件为 MEMS 结构建模的示例。 在这个预应力微镜示例中,静电力使镜身发生位移,而臂的末端被固定在原位。
结构分析与光学模式分析相结合的示例模型。 通过依次运行结构分析和光学模式分析,演示了光子波导中的应力-光学效应。

仿真 App:定制模型输入输出,简化设计流程

试想一下,如果您不需要再为团队中的其他成员反复运行仿真测试,是不是就能把更多的时间和精力投入到新的项目中?借助 COMSOL Multiphysics® 内置的“App 开发器”,您可以构建仿真 App,在其中限制模型的输入并控制模型输出,使您的同事也能够自行运行分析,从而进一步简化仿真工作流程。

您可以在专用的 App 中轻松地更改几何尺寸或材料属性等设计参数,并根据需要执行多次测试,而无需重新运行整个仿真。您可以借助 App 提高自己的测试运行效率,也可以将 App 分发给团队其他成员供大家运行各自的测试,从而将节省的时间和资源投入到其他项目中。

仿真 App 的构建过程非常简单:

  1. 将结构力学模型转换为专用的用户界面(App)
  2. 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  3. 使用 COMSOL Server™ 产品对 App 进行分类,使团队其他成员可以访问这些 App
  4. 最终实现您的团队成员在无需任何帮助的情况下,便能够自行运行设计分析

通过构建和使用仿真 App,您可以在整个团队、机构、课堂或客户群中扩展仿真功能。

用于分析管件设计的示例 App。 在这个管道过盈配合 App 中,用户可以编辑管尺寸、重叠区域和摩擦系数,分析它们对管道的有效应力、接触压力以及变形产生的影响。

下一步:
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每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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