结构力学模块

进行极具多物理场扩展功能的力学分析

“结构力学模块”是 COMSOL Multiphysics® 平台的附加产品,一个专为分析固体结构的力学特性而量身定制的有限元分析软件包。本模块为您提供固体力学、动力学和振动、材料建模、壳、梁、接触、裂隙等方面的建模工具和功能,其应用领域包括机械工程、土木工程、岩土力学、生物力学和 MEMS 器件。

“结构力学模块”带来了内置的多物理场耦合,包括热应力、流-固耦合及压电。通过将它与 COMSOL 产品库中的其他模块相结合,您可以进行高级的传热、流体流动、声学和电磁效应仿真;并进一步扩展建模功能,实现专门的材料建模和 CAD 导入功能。

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管路连接模型,其中用 Rainbow 颜色表显示螺栓的应力。

运行各种结构分析

本模块提供多种分析类型用于预测虚拟环境中的结构性能。借助“结构力学模块”,您可以求解以下相关问题: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,等等。

结构力学模块分析

  • 静态
  • 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
  • 几何非线性与大变形
  • 机械接触
  • 屈曲
  • 响应谱
  • 随机振动
  • 部件模态综合法

广义分析

参数化分析一维绘图,其中 y 轴表示位移,x 轴表示力方向。
参数化分析

计算具有多个输入参数的模型以比较结果。

两个支架模型的特写视图,其中显示原始几何和最终优化几何。
优化

使用优化模块优化几何尺寸、形状、拓扑和其他物理量。

有限元

“结构力学模块”为各种类型的结构分析提供了一套完整的建模工具。基于有限元法,不仅可以模拟三维实体,还可以对二维公式(平面应力、平面应变、广义平面应变和轴对称)进行建模,并提供了专业的壳和板、膜、梁、管、桁架和拉线模型,以及所有这些不同模型之间的过渡。

对于三维实体建模,提供许多选项用于设置单元形状和阶数。常见单元包括三角形、四边形、四面体、六面体、棱柱和金字塔单元等。您可以在一阶、二阶和高阶单元之间进行选择,对于多物理场分析,还可以选择混合阶数的单元。

结构力学模块的特征和功能

“结构力学模块”为运行各种结构分析提供专用的特征和功能,并支持在 COMSOL Multiphysics® 平台上无缝工作,从而实现一致的建模工作流程。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“固体力学”节点;“图形”窗口中显示管路连接模型。

固体力学

固体力学建模选项包括全三维、二维(平面应力、平面应变和广义平面应变)以及二维轴对称,并提供最通用的方法来分析内置了与大量物理领域的多物理场耦合的固体结构。我们提供了多种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的建模轻松扩展这些特征。通过使用常数、随空间变化的表达式、各向异性表达式或非线性表达式、查找表或上述各项的组合,您可以自行定义材料属性;此外,还可以根据用户定义表达式来激活和停用单元。

“实体-壳连接”设置的特写视图,“图形”窗口中显示支架模型。

壳和膜

在处理薄结构时,使用壳(三维、二维轴对称)和板(二维)单元可以提高建模效率,其中涉及的公式可用于分析厚壳建模所需的横向剪切变形。您可以指定与所选表面垂直的方向的偏移量,从而简化使用全三维几何表示进行的建模过程。壳单元分析的结果可以显示为完整的实体表示。

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,其中三维或二维轴对称曲面应力单元用于计算面内和面外位移,包括褶皱效应。在研究这类结构时,普遍的做法是从预应力状态开始进行分析。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“弹性波,时域显式”节点;“图形”窗口中显示地球模型。

弹性波

为弹性波在各向同性、正交各向异性、各向异性和压电体中的传播进行建模,适用于单物理场或多物理场应用,例如振动控制、无损检测(NDT)或机械反馈。应用领域涉及微观力学问题到地震波的传播,有着广泛的适用范围。

固体力学 接口使用完整的结构动力学公式,可以分析固体中的剪切波和压力波效应,还可用于分析弹性波。机械端口条件可用于激发和吸收波导结构中的传播模式,并计算组件的散射矩阵。吸收边界条件和完美匹配层(PML)能够有效地模拟无界域。

弹性波,时域显式 接口专用于求解瞬态线弹性波在包含多个波长的大型域中的传播问题,它采用高阶 dG-FEM 时域显式方法,支持多物理场,并能无缝耦合到流体域。

“黏弹性”设置的特写视图,“图形”窗口中显示阻尼器模型。

材料模型

“结构力学模块”提供线弹性、黏弹性和压电材料模型,而且您也可以通过添加非线性结构材料模块岩土力学模块来使用各种非线性材料模型,包括超弹性和弹塑性模型。

此外,您还可以通过多种方式来扩展现有的材料模型,也可以创建您自己的材料模型。在材料属性的输入框中可以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,您可以输入复值表达式,例如,可以添加定制的微分方程以提供非弹性应变贡献。

材料模型可以包含热膨胀、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。您可以通过提供用 C 编程语言编写的外部函数来包含自己的材料模型。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“边界载荷”节点;“图形”窗口中显示一维绘图。

载荷与约束

“结构力学模块”提供许多不同的载荷与约束选项,有助于实现高保真建模。定义域、边界和边上的分布载荷、随动载荷和移动载荷。指定总力,包括重力或附加质量,还包括带有离心力、科里奥利力和欧拉力的旋转坐标系。

为了约束模型,我们提供了弹簧和阻尼器,以及指定的位移、速度和加速度。周期性边界条件、低反射边界、完美匹配层(PML)和无限元有助于减小模型尺寸,从而实现高效建模。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“位移”节点;“图形”窗口中显示钢架模型。

动力学和振动

“结构力学模块”支持瞬态和频率响应分析。频率响应分析包含特征频率、阻尼特征频率和频率扫描分析。此外,该模块还提供专门的研究类型用于随机振动和响应谱分析。通过随机振动分析,您可以根据功率谱密度(PSD)与频率的函数关系进行输入,包括不相关和完全相关的载荷。塔上的风载荷就是一个典型的例子。人们常使用响应谱分析作为确定对地震和冲击等短期不确定性事件的结构响应的有效方法。部件模态综合法(CMS)也称为动态子结构,其中使用 Craig–Bampton 方法将线性部件简化为计算效率较高的降阶模型。这些部件随后可用于动态或静态分析,从而减少计算时间并提高内存使用率。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“横截面数据”节点;“图形”窗口中显示桁架塔模型。

梁、管和桁架

提供了专门的单元类型来模拟梁,通过它们的横截面属性进行描述。其中的内置公式可用于计算细长梁(Euler-Bernoulli 理论)和厚梁(铁木辛柯理论)。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。此外,还提供了常见的横截面类型库,以及对一般横截面进行建模的功能。

不仅如此,您还可以使用“结构力学模块”对只能承受轴向力(桁架)的细长结构进行建模,这些单元还可用于模拟下垂电缆和加强筋。

管的结构分析与梁的结构分析类似,但增加了通常对管中的应力有显著影响的内压。此外,温度梯度通常出现在管壁上,而不是整个管段。借助管道流模块,您可以直接从管道流和热分析的结果中获取来自内压和曳力的载荷。

“接触”设置的特写视图,“图形”窗口中显示拱模型。

接触和摩擦

在机械仿真中,经常发生物体相互接触的情况。我们可以通过静态和动态分析来研究接触建模,并且接触物体可以具有任意大的相对位移。此外,还可以模拟摩擦(黏附和滑动)的影响。

接触分析功能还可以指定接触物体之间的黏附和剥离,并模拟物体彼此相对滑动时由磨损引起的材料去除。

“损伤”设置的特写视图,“图形”窗口中显示切口梁模型。

断裂力学

本模块支持多种不同的裂纹建模方法。裂纹可以无限细,既可以由单个边界表示,也可以由几何中的不相交曲面表示。一个裂纹可以有任意数量的分支和相应的裂纹前沿。

J 积分和应力强度因子可以在二维和三维中进行计算。不仅如此,您还可以指定裂纹面上的载荷。

通过添加非线性结构材料模块岩土力学模块,您可以根据各种准则对脆性材料的损伤和开裂进行建模。

“螺栓螺纹接触”设置的特写视图,“图形”窗口中显示轴承盖模型。

工程特征

在“结构力学模块”中,您将发现一些结构工程特征,它们可以帮助您更快地创建现实世界的模型。这些特征包含边界条件,比如用于模拟刚性区域和运动约束的刚性连接件、带预紧力的螺栓、用于分析压力容器的应力线性化,等等。

  • 刚性连接件
  • 刚性域
  • 自动处理从 NASTRAN® 导入的 RBE2 单元
  • 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
  • 计算实体切口中的截面力
  • 载荷工况
  • 载荷工况叠加
  • 计算有效材料属性
    • 使用代表性体积元(RVE)

结构力学模块的附加模块

与 COMSOL Multiphysics® 软件环境完全集成的专用分析。

非线性结构材料模块岩土力学模块通过 100 多种不同的非线性材料模型扩展了“结构力学模块”的功能。

添加复合材料模块可以分析薄层结构(复合材料),比如飞机部件、风力发电机叶片、汽车部件等结构中的纤维增强塑料、层压板和夹层板。

添加疲劳模块可以计算结构的疲劳寿命:基于应力的高周疲劳和基于应变或能量的低周疲劳。其中提供雨流计数法、累积损伤以及多轴疲劳和振动疲劳功能。

添加转子动力学模块可以为旋转电机进行建模,其中的不对称可能导致不稳定和破坏性共振。您可以使用圆盘、轴承和基座来构建转子组件,并使用坎贝尔图、轨道图、瀑布图和涡动图来分析结果。

从第三方 CAD 软件导入设计

从众多接口产品中选择所需的产品,并将其与 COMSOL Multiphysics® 连接。

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;不仅如此,这些特征还支持访问 Parasolid® 几何内核,使您可以使用高级实体选项。设计模块也包含这些特征,并支持以下三维 CAD 操作:放样、倒圆角、倒斜角、抽取中面和加厚。

您可以从一系列 LiveLink™ 接口产品中进行选择,并通过这些产品来同步 CAD 原生模型,以便在 COMSOL® 软件中使用。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。

通过多物理场耦合扩展结构力学分析

在同一软件环境中轻松组合多个物理场相互作用。

涡轮定子模型的温度场的特写视图。

热应力

在给定或计算的温度场下,实体和壳中的热应力和热膨胀。

铝挤出工艺建模的多物理场示例的特写视图,其中包含流-固耦合及热应力分析。

流-固耦合(FSI)

流体与固体结构之间的单向和双向耦合,包括流体压力和黏性力。

直齿轮模型的残余应力的特写视图。

金属加工1

钢淬火和其他热处理过程中,随各相组成变化的材料中的应力和应变。

模型的差动轮系机构的特写视图。

多体动力学2

其中提供各种功能全面的工具,用于模拟柔体和刚体混合系统。

压电驱动器模型的特写视图,其中显示变形和尖端挠度。

压电

压电器件,包括金属和介电元件。

压电声换能器模型的特写视图,其中显示声压。

声-结构相互作用3

固体-声学、声-壳和压电-声相互作用,以及振动和弹性波传播。

分支井模型的特写视图,其中显示位移大小。

多孔弹性4

多孔介质流动与固体力学耦合,以模拟多孔弹性效应。

压力传感器模型的特写视图,其中显示位移大小。

吸湿膨胀

聚合物和电池中的吸湿和吸湿膨胀。

微镜模型的特写视图,其中显示变形和网格体积。

MEMS5

压阻效应、静电力引起的机电偏转和电致伸缩。

磁致伸缩换能器模型的特写视图,其中显示应力、位移和磁场。

电磁材料6

磁致伸缩、电致伸缩和铁电弹性设备。

加热电路模型的特写视图,其中显示应力和变形。

低频电磁学6

电子设备和电机中由电磁力引起的变形。

腔体滤波器模型的特写视图,其中显示温度和热应力。

射频和微波元件7

机械变形和应力会影响射频和微波器件以及滤波器等组件的性能。

光子波导的特写视图,其中显示应力-光学效应。

应力-光学效应8

波导中的应力诱导双折射。

Petzval 透镜模型的特写视图,其中显示三个不同角度的光线。

STOP 分析9

光学系统的结构-热-光学性能(STOP)分析。

  1. 需要“金属加工模块”
  2. 需要“多体动力学模块”
  3. 需要“声学模块”
  4. 需要“多孔介质流模块”或“地下水流模块”
  5. 需要“MEMS 模块”
  6. 需要“AC/DC 模块”
  7. 需要“RF 模块”
  8. 需要“波动光学模块”
  9. 需要“射线光学模块”

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