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借助仿真实现声呐系统的快速原型设计

2020年 12月 15日

借助多物理场仿真技术,诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation,NGC)快速完成了声呐系统的创新设计和实现。Lauren Lagua 是 NGC 水下系统部门声呐集成团队成员之一,她在 2020 年北美 COMSOL 用户年会的主题演讲中,讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件在声呐系统开发中进行快速原型设计。文中摘录了她的一些演讲内容,并附加了完整的视频演讲,欢迎浏览。 视频演讲:NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics® 进行快速原型设计   NGC 的快速原型设计流程 在 NGC 公司,工程师遵循着快速原型设计的流程,该流程包括四个部分,其中前三个部分经常重复多次: 原型设计 原型制造 测试与设计验证 最终设计的制造 Lauren Lagua表示,在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。 原型设计 在为声呐系统设计换能器(Tonpilz 型压电换能器案例模型)时,工程师会通过测试不同的参数设置,来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料(例如新的压电材料)、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学、固体力学、静电 和电路 接口,确定了不同的参数变化如何影响其设计。 在测试新材料时,团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此,他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性,并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。 主题演讲的屏幕截图,显示了换能器设计中使用的材料。 原型制造 NGC 团队在建立好模型并运行之后,会在整个原型制造过程中执行一系列测试,并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配,例如模型中可能缺少物理场。有时,Lagua能够在原型中发现制造问题。例如,当将压电材料黏合到背衬基板时,可能会出现气泡或黏合不良等问题。 Lagua 对导致问题的原因进行了假设,并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较,Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。 测试和验证 准备好原型后,NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。 电气测试包括阻抗测试和电容测量。 在声学方面,NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池,直径为 15 米,可容纳约 1500 立方米水,并用红木衬砌,以建造一个理想的宽带声学测试环境(模仿开放水域环境)。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应,远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中,并进行验证模型,或者在必要时进行调整。 声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。 一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段,就可以一次又一次地快速迭代它们,直到准备好制造出最终设计版本为止。 微型无人水下飞行器的声呐 在 Lagua 的主题演讲中,她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL […]

使用 COMSOL® 探索硬度数的不明确性

2020年 9月 22日

今天的客座博主来自 Plastometrex 公司和 Double Precision 咨询公司(COMSOL 的认证顾问之一)的 James Dean。他讨论了如何使用有限元建模(FEM)方法了解硬度值,并介绍了 Plastometrex 公司如何利用仿真 App 和 COMSOL Compiler™ 开发出一种可以从压痕测试数据中获得应力-应变曲线的全新产品…… 测试硬度的方法有各种各样,并已经被使用了数十年,它们执行快速、简便。由于被测材料的体积很小,因此可以在材料表面上表征硬度值、探索局部变化,并获得薄表面层和涂层的数值。然而,硬度不是一个明确定义的属性。从给定样品中获得的硬度数随测试类型的不同而变化,并且对于同一测试在不同条件下也是如此。经常进行此类测试的人应该都清楚,从具有不同屈服应力和加工硬化特性的材料中可以获得相似的硬度值。今天,我们借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场软件对这种现象进行演示和说明。 硬度数的概念(通过压痕获得) 硬度是材料抵抗塑性变形的度量。通过硬度不仅可以了解屈服应力,还可以了解之后的加工硬化特性,这是很有意思的。硬度数提供了一个将两者结合起来的标准,尽管不是以明确的方式。由于硬度代表的含义具有一定的复杂性,因此它不是一个简单的、定义明确的参数,并且不同的硬度测量方案测出的数值都不同,这并不奇怪。但是,所有这些方案的原理都是相同的,即将指定的载荷施加到硬度计压头上,压头会压入样品中,从而导致塑性变形并留下永久凹陷。硬度值可以通过几种方法获得,但在大多数情况下,是通过测量侧面凹痕的横向尺寸(直径)或穿透深度来实现的。 硬度通常被定义为力(载荷)除以压头与试样之间的接触面积。该比率具有应力维度,尽管通常将其简单地引用为一个数字(单位为 kgf mm-2)。无论如何,该应力水平与材料的应力-应变曲线,甚至与样品中产生的应力场都没有简单的关系。样品的不同区域将经受不同的塑性应变水平,范围从零(在塑性区域的边缘)到百分之几十(接近压头)不等。即使最大应变水平也不能很好地定义,因为它取决于压头的形状、施加的载荷和塑性特性。尽管材料的应力-应变关系确实可以确定压痕尺寸(对于给定的压头形状和负载),但从后者推断出前者并非易事,并且在常规硬度测试中也从没有尝试过这样做。 布氏和维氏测试 布氏测试于 1900 年被开发,通过使用 3000kg(〜30 kN)的载荷将直径为 10mm 的硬球压入样品。布氏硬度值由下式给出 (1) HB=\frac{2F}{\pi D[D-\sqrt{(D^2-d^2)]}} 其中,F 是施加的载荷(以 kgf 为单位),D(毫米)是压头的直径,而 d(毫米)是压痕的直径(在投影图中)。该公式是以载荷除以接触面积得到硬度值。这类公式基于简单的几何方法,样品的弹性恢复被忽略。此外,在实践中,凹痕周围可能会出现“堆积”或“沉入”现象,从而使真实的接触面积与从理想几何形状获得的实际接触面积不同(并且也难以精确测量直径)。 维氏硬度测试是由Smith和Sandland(Vickers Ltd.)于 1924 年开发的,其主要目标是降低早期试验的负荷要求。将压头从相对较大的球体更改为较小的尖锐形状,可以使用较低的载荷(可以用自重产生)。机器内部通常会提供多个砝码,根据型号的不同,其重量从 1 公斤以下到 50 公斤左右不等。(金刚石)压头是一个直角金字塔形,底部为正方形,相对面之间的夹角为 136°。(锋利的)边缘会促进穿透,并且它们在凹痕中产生的线条有助于测量其大小。 压痕直径 d 通过投影测量(与布氏测试一样)。HV 的值(载荷除以接触面积)由下式给出 (2) Hv=\frac{2Fsin(\frac{136} {2})}{d^2} \approx 1.854\frac{F}{d^2} 因此,类似于布氏测试的简单计算,可以通过测量d的值来获得硬度值。与布氏测试一样,样品的弹性回复以及压痕周围的“堆积”或“沉入”现象也被忽略了。 维氏测试使用广泛。实际上,HV是最常用的硬度值,部分原因是它可以改变载荷。它可以应用于各种金属、薄截面、表面层等。图1显示了一组典型硬度数值(参考资料1),包括各种合金。这些数值是通过对特定样品的压痕尺寸进行仔细测量而获得的。这些数据有助于说明不同金属硬度的典型值,尽管确切的数值应该更加谨慎对待。 图1 一系列合金的维氏硬度数(参考文献1)。 通过将硬度数乘以 g(9.81),可以得出作用在接触面积上的应力(单位 MPa)。该应力与应力-应变曲线没有简单的对应关系。但是,如果忽略加工硬化,则硬度应与屈服应力成比例。对于维氏测试,该关系通常写为 (3) \sigmaY \approx \frac{HV}{3} 这些表达式通常用于从硬度测量中获得屈服应力。 使用有限元法获得2种合金的硬度值 通过使用有限元建模模拟压痕过程,可以预测硬度数的值。通过对特定合金(具有定义的应力-应变曲线)进行特定类型的测试来获得硬度数。2 种测试金属为 Ti-6Al-4V(318)和 Hadfield 锰(Mangalloy)钢。这 2 种合金塑性变形的真应力-应变曲线如图2所示。可以看出,两者明显不同,318具有高屈服应力,但加工硬化有限;而 Mangalloy […]

如何使用 COMSOL Multiphysics® 中的材料库

2020年 2月 27日

COMSOL Multiphysics® 软件及其大多数附加模块均有内置材料库,这些材料库包含材料及相关材料特性数据。自 5.5 版本开始,COMSOL 软件中还增加了一个附加产品-材料库,包含多达 24 种材料属性,可以模拟 3800 多种材料。

主题演讲视频:通过 App 改进流程理解

2019年 5月 30日

仿真 App 如何加强公司与其客户之间的关系?Huntsman Advanced Materials 公司的 Florian Klunker 在 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的主题演讲中讨论了将仿真作为一种服务提供给客户。

用复合材料技术模拟多层材料

2019年 3月 26日

客座博主Eric Linvill(Lightness by Design 公司) 分享了对多层材料采用复合材料建模与实体建模的差异。

使用 COMSOL® 软件预测和优化产品性能

2019年 3月 11日

在当今市场中,取得成功意味着既要开发出正常运行的可靠产品,又要在合适的时间推出。与许多其他公司一样,Veryst Engineering 发现仿真是一种有效的工具,可以在原型制作或制造之前研究产品内部,确保设计符合规范。

动脉自膨胀式支架的仿真与建模

2019年 2月 6日

人工支架是治疗冠心病的一种常用方法。人工支架可以增加流向心脏的血液流动,但也会带来并发症,因为患者心脏周围的动脉具有不规则的解剖结构。自膨胀式支架是人工支架的一种,它能够贴合血管,并随着血管的变化而变化。

复合材料模块简介

2018年 12月 6日

复合材料是指由至少两种组分组合而成的异质材料。复合材料的种类繁多,其中层状复合材料比较常见,广泛应用于飞机、航天器、风力发电机、汽车、船舶、建筑物和安全设备等领域。


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