结构力学模块
结构力学模块
执行结构力学分析的软件
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机械结构。您可以将在一系列广泛的分析类型中使用本软件，包括稳态、瞬态、特征模态/模态、参数化、准静态、频率响应、屈曲和预应力分析等。
辅助模块增强结构力学的分析功能
结构力学模块提供了在二维、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——非线性材料模块和岩土力学模块。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。
更多图片：
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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。 -
阻尼器粘弹性材料的瞬态结构分析。
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预应力螺栓在凸缘中引起拉伸继而产生应力。
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FSI——受风荷载作用的太阳能电池板的流固耦合分析。
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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。
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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。模块所包含的材料模型还可以通过增加非线性结构材料模块和岩土力学模块进行扩展，支持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 软件中极富方程友好型的用户接口灵活地输入用户自定义材料。在许多情况下，您只需直接在用户接口中以数学表达式（由场变量、应力与应变不变量以及派生变量构成）的形式输入本构方程即可，这替代了传统的用户编程方法。例如，杨氏模量不仅可以定义为常数，还可以是任意场变量及其导数的函数。材料属性可以随空间或时间变化，或使用复值表达式进行描述。
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分析。模块包含了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，使您在 COMSOL Desktop® 环境中既可以进行结构力学分析，也可以进行疲劳计算。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，还可以与其他模拟热应力、焦耳热及热膨胀，以及压电器件等的物理接口耦合使用。
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，包括为网格剖分和分析准备 CAD 模型所需的几何清理和修复操作等功能。“CAD 导入模块”还提供 Parasolid® 几何内核，与 COMSOL 本地内核支持的操作相比，它能执行更高级的实体操作。ECAD 导入模块提供了电子布局导入功能，专门用于电子结构的力学仿真。在分析机械零件或装配时，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研究和优化操作。通过使用针对 CAD 的 LiveLink™ 模块可以实现这一功能，这些模块适用于多个领先的 CAD 系统：SOLIDWORKS®、Inventor®、AutoCAD®、PTC® Creo® Parametric™、PTC® Pro/ENGINEER® 及 Solid Edge®。这些模块还可以同步更新 CAD 系统和 COMSOL 中的几何参数，并能对多个不同的建模参数进行参数化扫描和优化。借助优化模块，可以自动优化几何尺寸、边界载荷或材料属性。
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）。
为改进飞机结构的雷击保护，波音公司模拟了多孔金属箔复合材料的热膨胀
J. Morgan, R. Greegor, P. Ackerman, Q. Le Boeing, WA, USA
现代飞机的整个机身大量使用了碳纤维复合材料（如波音 787 梦想客机），因为这种材料重量轻且具有极其出色的强度。在复合结构层合板中添加多孔金属箔（EMF），用以消散由雷击产生的过量的电流和热量。波音研究与技术中心（BR＆T）的工程师正在利用多物理场仿真和物理测量，以确保受到地空飞行周期产生的热应力后 EMF 防护涂层可以保持完好无损。EMF 设计参数在 COMSOL Multiphysics® 中对复合结构层合板中每一层产生的应力累积和位移的影响都做了评估。实验结果与仿真结果高度吻合，从而证实了低位移设计也会降低裂纹形成的可能性。
声纳导流罩振动分析
Francesca Magionesi INSEAN Italy
近年来，出现了在船上利用球鼻船首来容纳不同类型声纳系统的设计，但对于结构振动对此类声纳导流罩内换能器系列运转的干扰程度还存在疑问。INSEAN 是意大利造船学研究与实验国家研究所，他们需要使用一种方法来模拟湍流边界层与球鼻船首进行相互作用时发生的情况，目的是确定这样会产生多少自噪声。 他们首先创建了一个小比例模型来捕捉湍流边界层激振，这为他们提供了全比例流体负载表达式。然后他们在 COMSOL Multiphysics 中创建了一个等比例模型，并考虑用于球鼻船首的复合材料的复杂性以及湍流边界层负载。LiveLink™ for Pro/ENGINEER® 使团队能够将球鼻船首不同部分的 CAD 数据导入 COMSOL Multiphysics 。
水下管道和电缆的分析
Tim Poole, JDR Cables, Cambridgeshire, UK and Mark Yeoman, Continuum Blue, Hengoed, UK
JDR Cables 按照规范设计并制造水下管道系统，该系统主要用于管理石油、天然气和可再生能源等行业的电缆和摆放架。在这些设计中，诸如深水压力、风浪以及波涛汹涌的海底这样恶劣的环境都必须考虑，还要考虑电缆上的拉伸作用力和紧半径轴对电缆施加的作用力。这对于 JDR ...
基于仿真的新型植入式助听装置设计
Patrik Kennes Cochlear Technology Centre, Mechelen, Belgium
欧洲人工耳蜗技术中心 (CTCE) 主要负责开发新一代听觉植入技术。他们目前的工作重心是研究一种新型的听觉植入，即直接声学人工耳蜗植入，简称 CodacsTM。此产品会直接对耳蜗施加结构和压力波，以这种方式刺激耳蜗，而并非放大声音。 使用 COMSOL Multiphysics 软件，研究团队能够测试这种装置的多种特征及对装置产生影响的物理现象。这其中包括结构、声学、电磁和压电性能以及植入物的设计。他们的分析可以替代费用高昂的反复试验法，为研究团队节省了成本，并允许他们在一个统一的平台上使用这一模拟技术来优化自己的新技术。 Codacs 是 Cochlear 有限公司的商标。
基于仿真的工程学鼓励创新发明
Ozgur Yildirim and Zihong Guo Intellectual Ventures Bellevue, WA
基于仿真的工程学是缩短创新技术上市时间的关键。Intellectual Ventures 位于华盛顿州贝尔维尤，是 COMSOL Multiphysics 软件的受益者，他们使用软件加快了工作流程，从设计研究到设计样机 ...
二氧化碳箔片推力轴承特性的多物理场分析
Treevor Munroe Knolls Atomic Power Laboratory, Niskayuna, NY
诺尔斯原子能实验室（KAPL）是一家支持美国海军核动力推进计划的研发机构。最近，KAPL 与贝蒂斯原子能实验室合作测试了超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿动力循环系统。 设计该系统的目的是在高速高气压下运行，这意味着涡轮轴的轴承必须承受大范围的径向和轴向负荷。但是用于约束轴向力的推力轴承在特定速度下显示有大范围磨损。 使用 COMSOL Multiphysics 软件，KAPL 能够分析布雷顿循环动力系统的结构力学、流体力学和传热，以更好地了解推力轴承的运行和退化。这样做可以优化几何并提高轴承性能。
突破芯片密度的限制
Derek Bassett and Michael Carcasi Tokyo Electron America Austin, TX
芯片制造商一直在坚持遵守摩尔定律，它规定了自 1965 年起，出于经济考虑能放置在集成电路上的晶体管数量每年翻一倍。然而，由于晶体管的数量增加，制造集成电路的过程（也叫光刻）变得更加困难。每个装置都需要大约 200 个清洁和光刻步骤 ...
优化内置式轮胎压力监测传感器
C. Evans, Schrader Electronics, Ireland
内置式轮胎压力传感器需要能够承受车辆行驶期间造成的磨损。因此需要对传感器的灵敏度和耐用性同时进行优化。 Schrader Electronics 制作了一个可以在行驶的轮胎中持续准确工作的传感器。他们使用了 COMSOL Multiphysics 软件的结构力学模块和 CAD 导入模块来优化自己的设计。仿真帮助 Schrader 设计出了能够更好地承受离心力、温度变化及很多其他因素影响的传感器。
HFIR 的新燃料：ORNL 通过多物理场仿真研究燃料转型的安全性和可靠性
F. Curtis, J.D. Freels Oak Ridge National Lab, TN, USA
由于人们日益意识到核材料扩散所产生的风险，全球减少核威胁倡议（Global Threat Reduction）呼吁使用高浓缩铀（HEU）的研究型反应堆改用低浓缩铀（LEU）燃料。橡树岭国家实验室（ORNL）的高通量同位素反应堆（HFIR），是使用 HEU ...
模拟复合物理场加速芯片开发
P. Woytowitz Lam Research Corporation, CA, USA
随着计算机技术的飞速发展，需要更强大的计算机芯片才能满足行业迅猛发展的高要求。Lam Research Corporation 主要制造半导体装置和设备，在半导体加工工艺中使用它们来沉积，蚀刻并清洁摆放在晶圆上的材料层。使用与化学气相沉积（CVD）一样精确的工艺后 ...
仿真软件为电缆行业带来巨大变化
M. Bechis Prysmian, Italy
设计和测试应用于陆地和海底的高压电缆，是 Prysmian 最重要的商业模式。设计电力传输系统的一个根本挑战就是优化电缆，这样它们才能在保持（最好是低于）最大允许工作温度的同时安全可靠地提供所要的稳态电流。 将多物理场仿真与研发流程相结合，这样 Prysmian 工程师可以在构建原型之前对电缆进行设计和测试，同时还可以考虑不利的热环境，而这在实际实验中却难于控制。具有瞬态分析功能的多物理场模型可以评估参数化电缆结构的热性能，同时还结合很多因素，诸如太阳能照射的日变量，甚至是用变化的电流负载，取代通常的恒定电流条件。Prysmian 的扩展仿真功能已经使电缆设计流程得以改进，可以为客户及同行们提供更好的服务。
通过多物理场仿真开发微型机器人驱动技术
P. Lazarou, C. Rotinat CEA LIST, France
微创手术机器人器械依赖于微型灵巧的工具及其可靠的驱动性。但大多数机器人手术器械都体积庞大，价格昂贵并且外科医生操作起来费时费力。法国原子能与可替代能源委员会（CEA LIST）的研究人员正在研究微型相变驱动器，它将会减轻外科医生在漫长手术过程中所承受的痛苦 ...
利用多物理场仿真让智能材料更智能
J. Slaughter ETREMA Products, IA, USA
ETREMA 产品公司的设计师和研究人员设计了具有磁致伸缩行为的智能材料，并将其应用于高精密设备。Terfenol-D 就是由 ETREMA 独家制造的一种特殊超磁致伸缩材料，它会响应所施加的磁场表现出任何合金的最大变形，而且它集成在诸如换能器等设备的核心中。由于 ETREMA 决定使用系统研究法来设计，这一决定最终促使他们采用 COMSOL Multiphysics 软件进行仿真，这样便能够开发具有自定义材料的模型和包含物理场的多个组件。使用单物理场仿真的最初目的是针对换能器设计进行计算。而创建磁致伸缩的耦合模型可以研究在机械应力和磁场作用下设备产生的变形，由此提供了一款在产品开发的每个阶段几乎都会用到的精确设计工具。
热电路板
支架 - 瞬态分析
多层板热初始应力
在本例中，一个由两层结构（涂层和底层）组成的平板在 800℃ 时没有应力和应变，当板的温度降低到 150℃ 时会产生热应力。然后添加第三层板，作为载体层。将两层板中的热应力作为初始应力，温度最终降到 20℃。
血管网络中的流-固耦合
圆柱辊接触
压电剪切驱动梁
铝挤压工艺中的流-固耦合
本例演示铝挤压工艺中的流-固耦合 (FSI)，包括热-结构耦合和热-流耦合。挤压材料视为一种高粘性流体，由内摩擦产生热。口模承受流体的热载荷和压力载荷。 需要“结构力学模块”和“传热模块”或“CFD 模块”。还需要材料库来建立模型。
蠕动泵
Shift into gear
This model demonstrates the ability to simulate Multibody Dynamics in COMSOL. It comprises a multilink mechanism that is used in an ...
梁截面计算器
这个模型评估了各类满足美国和欧洲标准的梁的梁截面数据。对梁截面施加一组给定的力和力矩后，还可以计算详细的应力分布。\n\n也可以轻松提取计算得到的横截面数据，用作 COMSOL Multiphysics 中梁分析的输入数据。\n\n此模型基于 COMSOL Multiphysics® 软件中的“梁横截面”接口开发。
