结构力学模块：力学分析
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
- 模态分析
- 模态降阶
- 响应谱
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。这可以在膜 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。
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。
梁 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
- 计算有效材料属性
- 使用代表性体积元（RVE）
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或岩土力学模块，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
使用粘弹性材料模型模拟用于结构减振的阻尼器。
借助附加的复合材料模块，您还可以分析多层薄结构。这一附加模块基于专用的多层材料技术，提供分层理论 和等效单层理论，每种理论都有其独特的优势。该模块可用于模拟层状复合材料，例如纤维增强塑料、层合板和夹层板，这些材料广泛应用于飞机部件、航天器部件、风力发电机叶片、汽车零部件、船体等结构件中。
风力发电机复合材料叶片中的应力，叶片芯材为厚 PVC 泡沫，每侧由多层玻璃纤维复合材料包围，其外部采用碳纤维包覆。
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
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、壳 及梁 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
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。
导入 CAD 几何
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，以便进行网格划分和分析；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®
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
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。流-固耦合既可能发生在两个零件之间，其中流体和结构共享一个网格；也可能发生在两个装配之间，其中无需包含与共享网格的公共边界。
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 和静电 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、波动光学模块或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。
在铝挤压工艺仿真中，包含流-固耦合及热应力分析。
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。
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。
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。
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：
- 将结构力学模型转换为专用的用户界面（App）
- 为 App 用户选择输入和输出，实现按需定制 App
- 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
- 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。
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。
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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