结构力学模块

结构力学分析

结构力学模块

对连杆进行的本征频率分析显示了最小特征频率下沿连杆的扭转角。

静态、瞬态和频域结构分析

结构力学模块专门用于分析受静态或动态载荷作用的力学结构。您可以将它用于一系列广泛的分析类型,包括稳态、瞬态、本征模式/模态、参数化、准静态、频率响应、屈曲和预应力等。

辅助模块增强结构力学的分析功能

结构力学模块提供了二维、二维轴对称和三维坐标系中进行分析的用户接口,用于分析固体、壳(三维)、板(二维)、桁架(二维、三维)、薄膜(二维轴对称、三维)和梁(二维、三维)等结构。它们可以用于几何非线性、机械接触、热应变、压电材料和流固耦合(FSI)等应用的大形变分析。如果要进行非线性材料分析,有两个专业模块可供您使用—— 非线性材料模块岩土力学模块。对于疲劳寿命评估,您可以利用 疲劳模块,如果要模拟柔体和刚体动力学,可以使用 多体动力学模块。结构力学模块还可以与 COMSOL Multiphysics 及其他模块一起工作,将结构分析耦合到一系列广泛的多物理场现象中,包括机械结构与电磁场、流体流动和化学反应等的相互作用。


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  • 叶轮的特征频率分析,利用周期性边界条件对单个叶片执行仿真。 叶轮的特征频率分析,利用周期性边界条件对单个叶片执行仿真。
  • 阻尼器粘弹性材料的瞬态结构分析。 阻尼器粘弹性材料的瞬态结构分析。
  • 预应力螺栓在凸缘中引起拉伸继而产生应力。 预应力螺栓在凸缘中引起拉伸继而产生应力。
  • FSI——受风荷载作用的太阳能电池板的流固耦合分析。 FSI——受风荷载作用的太阳能电池板的流固耦合分析。
  • 本模型模拟了恒速(CV)关节的滚珠轴承和保持架之间的接触,以及橡胶密封圈的大形变。模型由 Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne, Italy 提供。 本模型模拟了恒速(CV)关节的滚珠轴承和保持架之间的接触,以及橡胶密封圈的大形变。模型由 Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne, Italy 提供。
  • 旋转叶片模型,研究了应力硬化和旋转软化的综合作用对基本特征频率的影响 旋转叶片模型,研究了应力硬化和旋转软化的综合作用对基本特征频率的影响

材料模型

结构力学模块的本构模型包括线弹性和粘弹性材料模型,以及正交各向异性材料和阻尼材料。此模块所包含的材料模型还可以通过 非线性材料模块岩土力学模块 进行扩展,用来分析大应变塑性形变、超弹性材料、塑性、蠕变、粘塑性、岩石、混凝土和土壤等。此外,用户还可以通过 COMSOL 自定义 PDE 的友好用户接口,灵活地输入自定义材料本构。在许多情况下,只需直接在图形用户界面中以数学表达式(使用场变量、应力与应变不变量以及派生变量构造)的形式输入本构方程即可,代替传统的用户编程的方法。例如,杨氏模量不仅可以定义为常量,还可以是任意场变量及其导数的函数。材质属性可以随空间或时间而变化,或使用复数表达式进行描述。

载荷、约束和专用的高性能仿真工具

模块内置了一系列广泛的载荷和约束条件。这包括总力、压力载荷、从动荷载、弹簧与阻尼、附加质量、指定位移、速度和加速度。要模拟薄弹性部件,您可以使用弹性薄层接口。此外,对于刚性和柔性混合结构,模块提供了特定的刚性域和刚性边界条件,并附带多体动力学模块的一些功能。在模拟一个嵌入弹性材料基底或位于其上方的较小结构时,可以使用无限元域。它仿真缓慢衰减的应力的吸收,使得可以在不损失精度的情况下仿真截断的区域,同时又可以高效地仿真较大的结构。

固体力学

结构力学模块的固体力学接口定义了用于应力分析以及广义线性与非线性固体力学的变量和功能,以求解位移。线弹性材料是缺省的材料模型。其他材料模型为超弹性(需要非线性材料模块)和线性粘弹性材料模型。此外,还可以使用热膨胀、阻尼和初始应力与应变等功能扩展弹性材料模型应用。广义非弹性应变可以很容易地定义为额外初始应变作用,甚至可以是任何其他物理场(从电磁场到流场)的函数。该模块中的弹性材料类型包括各向同性、正交各向异性和完全各向异性等。每种材料系数可以通过一个常数、变量、查找表以及可随空间与时间变化的复合非线性表达式来描述。COMSOL Multiphysics 可以解析任意表达式,这使您可以在 COMSOL Desktop® 环境内完成高级模拟任务,而无需编程。

大形变和机械接触

结构力学模块使您可以模拟考虑几何非线性和从动载荷的大形变。载荷可以是用户定义分布的,并且还可以取决于其他物理场,例如电磁力或流体作用力。机械接触问题同样可以在该模块处理,并且支持多物理场耦合。例如,您可以在接触边界定义热通量(需要传热模块)或电流(需要 AC/DC 模块),并利用接触应力来仿真电流传输或热传输的范围。

壳、板和薄膜

壳(基于 Mindlin-Reissner 公式)可用于薄壁结构的力学分析,并在其中考虑横向剪切形变,使您也可以仿真厚壳结构。此外,还可以在垂直于选定表面的方向上设定一个偏移量。壳接口还包含了一些其他功能,例如阻尼、热膨胀和初始应力与应变。可用的预设求解器与固体力学接口相同。类似于壳接口,板接口的过程让那个也发生在单个平面内,但通常仅具有面外荷载。

薄膜接口模拟三维下的曲面应力单元,这些单元有可能同时在面内和面外方向发生形变。壳和薄膜接口之间的区别是薄膜不考虑任何弯曲刚度。该接口适合于模拟诸如薄膜和织物之类的结构。

振动、声场和弹性波

软件含有一系列振动分析的功能,并且可以选择 声学模块 与声场进行耦合。将结构力学模块与声学模块组合时,您将可以使用专门模拟声-壳耦合的接口。声学模块另外还具有模拟固-声和压电-声耦合的物理场接口。对于在材料中传播的弹性波,结构力学模块提供了低反射边界和完美匹配层,以仿真传出的弹性波。该功能使用户可以简便地模拟从相对较大或无限大介质中的振动结构产生的向外传播的波。

疲劳估计

将疲劳模块添加到结构力学分析中,可以执行结构疲劳寿命计算。可以使用高循环和低循环疲劳方法,以及累积损伤分析。疲劳模块与结构力学模块的紧密集成,使您可以在 COMSOL Desktop® 环境中进行结构力学和疲劳计算。疲劳模块不仅可以与固体力学、壳、板和多体动力学接口一起使用,还可以耦合仿真热应力、焦耳热及热膨胀和压电器件的物理接口。

梁和桁架

结构力学模块中的梁接口用于分析可以通过横截面属性(例如面积和惯性矩)来描述的细长结构(梁)。它们可以仿真框架结构(平面和三维),并且可以与其他单元类型耦合,例如分析固体和壳结构的加固。梁接口内置了一个含有矩形、箱形、圆形、管道、H 形、U 形和 T 形等梁截面的库。额外的功能包括阻尼、热膨胀和初始应力与应变。一个称为梁横截面的独立二维物理接口可以用于估算梁分析中任意输入二维横截面的横截面属性。

桁架接口可用于模拟只能承受轴向力的细长结构。桁架接口可以定义小应变,以及大形变应变。典型的应用如具有直边的桁架,以及暴露在重力下的电缆(下垂电缆)。额外的功能包括阻尼、热膨胀和初始应力与应变。

热应力

结构力学模块不仅可以与 COMSOL Multiphysics 基本平台及其他专业模块集成,模拟许多不同的多物理场现象,而且它还包含了许多专用的多物理场接口。例如,热应力接口不仅具有固体力学接口的基本功能,并增加了热线弹性材料模型。它可以与各种传热接口组合,将温度场耦合到结构(材料)膨胀中。焦耳热和热膨胀多物理场接口含有热应力模型与焦耳热模型,模拟电流在结构中的传导、欧姆损耗产生的电加热,以及由温度场产生的热应力。

其他模块中的附加机械模拟功能

MEMS 模块 提供了微机电系统的特定结构仿真工具。包括用于压敏电阻、机电挠度、热弹性振动的物理接口,以及更多的用于分析压电器件的高级仿真工具。对于力学分析,声学模块 包含了结构振动,声压波和弹性或多孔弹性波等模型。地下水流动模块 通过多孔弹性与多孔介质流动模型的结合而增强了固体力学接口的功能。

CAD 和优化

CAD 导入模块提供了一系列行业标准 CAD 格式的导入功能,以及为网格剖分和计算制备 CAD 模型所需的几何清理和修复操作等功能。CAD 导入模块还利用 Parasolid® 几何内核,来执行比 COMSOL 本地内核更高级的实体操作。对于电子器件结构的机械仿真,ECAD 导入模块提供了电子布局导入功能。在分析机械零件或装配件时,保留原始 CAD 参数化模型非常重要,这样就可以在无需重新构造模型参数的情况下执行参数求解和优化。这通过使用针对几个领先 CAD 系统的 LiveLink 模块来实现:SOLIDWORKS®, Inventor®AutoCAD®PTC® Creo® ParametricPTC® Pro/ENGINEER®Solid Edge®。这些模块可以并行更新 CAD 系统和 COMSOL 中的几何参数,并可同时对几个不同的模拟参数进行参数化扫描和优化。通过优化模块,可以对几何尺寸、边界载荷或材料属性进行自动优化。

压电器件

压电器件接口将 COMSOL 的固体力学和静电模拟功能组合到一个全耦合的工具中,用于模拟压电材料。压电耦合可以采用应力-电荷或应变-电荷的形式,并具有频率扫掠、特征模态和瞬态等形式的全耦合求解。通过该物理接口,可以访问所有固体力学和静电接口的功能,例如,模拟周围的线弹性固体或空气域,以及介电层。

流固耦合(FSI)

流固耦合(FSI)多物理场接口将流体流动与固体力学进行耦合,用以了解流体和固体结构之间的相互作用。固体力学和层流接口分别模拟固体和流体。FSI 发生在流体和固体之间的边界上,可以同时包含流体压力和粘性力,以及从固体到流体的动量传递——双向 FSI。用于 FSI 的方法称为任意拉格朗日欧拉法(ALE)。

Simulation-Based Design of New Implantable Hearing Device

Sonar Dome Vibration Analysis

Analysis of Subsea Umbilicals and Cables

Multiphysics Analysis of CO2 Foil Thrust Bearing Characteristics

Pushing the Limits of Chip Density

Simulation-Based Engineering Fosters Innovation and Invention

Fluid-Structure Interaction in a Network of Blood Vessels

Bracket - Transient Analysis

Heating Circuit

Peristaltic Pump

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Thermal Initial Stresses in a Layered Plate

Cylinder Roller Contact

Fluid-Structure Interaction in Aluminum Extrusion