结构力学模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“结构力学模块”的用户引入了新的磁力学 多物理场接口、模态综合法 (CMS) 和膜的褶皱分析。请阅读以下内容,进一步了解这些更新及其他新增功能。

磁力学多物理场接口

添加物理场 树的电磁-结构相互作用 分支下,新增了两个物理场接口,用于分析磁和力学效应的耦合,这两个接口分别是:磁力学磁力学,无电流。典型的应用场景是磁场引起固体变形,或者反过来,移动结构改变磁场。您可以在新增的铁板的磁力变形教学案例中查看这一功能的应用演示。请注意,此特征需要“AC/DC 模块”。

一个二维绘图,以 Prism 颜色表显示交流接触器模型中的磁场。 交流接触器关闭后不久的磁场。洋红色等值线表示原来的开放位置。

“压电波,时域显式”多物理场接口

压电波,时域显式 多物理场接口中,您可以使用在时域内对压电介质中波传播现象进行建模的新功能,可以对正、逆压电效应进行建模,并可以使用应变-电荷或应力-电荷形式来表示压电耦合。新增的接口利用新增的压电效应,时域显式 多物理场耦合,将弹性波,时域显式 接口与静电 接口相耦合。

新增的这个接口基于间断伽辽金(dG 或 dG-FEM)法,并采用时域显式求解器。方程组的静电部分在每个时步通过经典有限元法 (FEM) 求解的代数方程组进行求解。这确保了一种计算效率非常高的混合方法,可以求解具有数百万个自由度 (DOF) 的大型模型,非常适合于集群架构上的分布式计算。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“压电材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及两个“图形”窗口。 压电波,时域显式多物理场接口在角钢梁无损检测 (NDT) 装置中的应用。

“弹性波,时域显式”中的计算位移后处理特征

新版本的弹性波,时域显式 物理场接口中新增了一个后处理特征,称为计算位移。利用此特征,您可以通过求解一组辅助常微分方程,以最佳方式计算点、沿边、边界或域中的位移。这些新特征作为子特征添加到材料模型中,例如弹性波,时域显式模型压电材料 模型。新特征并不影响结果,仅用于后处理,并生成场变量,用于对位移进行可视化和后处理。由于这些特征会添加并求解额外的方程,因此在使用时需要额外的计算资源。

大变形多孔弹性物理场接口

新增的多孔弹性,大变形,固体 多物理场接口用于有限结构变形下的多孔弹性建模。通过这个接口,您可以对多孔弹性固体几何形状发生重大变化并导致孔隙率变化的情况进行建模。请注意,这个新增接口需要“多孔介质流模块”。

带扭转的轴对称

固体力学 接口的二维轴对称中,现在可以包含周向变形。这可以通过在物理场接口的轴对称近似 栏中选中包含周向位移 复选框来启用。利用该选项,您可以很高效地对轴对称结构的扭转等现象进行建模。您可以在新增的轴对称扭转和弯曲教学案例中查看此特征的应用演示。

显示 von Mises 应力的空心轴三维模型(左)和灰色的二维轴对称模型(右)。 受到扭转作用的空心轴。灰色等值线表示用于分析的二维轴对称几何形状,相应结果通过旋转数据集以三维模式显示。

梁横截面数据计算和可视化增强功能

您现在可以在三维模式下使用梁横截面 接口。在三维版本中,您可以拉伸横截面,然后显示梁中应力的全三维表示。二维版本的接口也得到了显著更新。一项主要变化是,现在接口可以处理多个横截面。此外,还新增了多物理场耦合梁横截面-梁耦合梁-梁横截面耦合,用于在一侧的梁横截面 接口和另一侧的管力学 接口之间传输数据。

两个梁模型,以 Prism 颜色表显示应力。 IPN 梁中的 von Mises 应力分布,使用标准梁可视化效果(上),以及相同结果转移到 梁横截面接口的效果(下)。

任意位置的点载荷

利用新增的点载荷,自由环形载荷,自由 特征,您可以在与几何点或网格节点不重合的任意位置施加点载荷,这在以下情况下尤其有用:

  • 导入的网格,其中可能没有合适的点来承受载荷
  • 动载荷
  • 包含许多点载荷的模型,在这种情况下,在所有载荷位置创建几何点可能不切实际

您可以在固体力学桁架多体动力学 接口中使用此功能,并且可以在更新的普拉特桁架桥教学案例中查看相关的应用演示。

实心块模型,顶部有两个点载荷,用黄色箭头表示。 实心块的顶部有两个与网格无关的点载荷。

壳的可视化效果改进

使用 数据集时,您现在可以在壳模型中绘制具有完整实体表示的结果。结果量的全厚度分布也可以生成可视化效果,将结果表示为实体上的效果。

一个支架模型,其中以 Rainbow 颜色表显示应力。 壳中的应力,用 数据集来表示。模型的透明部分由实体单元组成。

不相交的壳之间的耦合

新版本的 接口中新增了三个边界和边条件,现在更容易实现几何中不相交的壳之间的耦合,这些条件分别是:边到边边到边界 以及边界到边界。耦合可以是刚性的,也可以是弹性的,其中部分应用示例如下:

  • 导入的几何的各部件之间有间隙,新增的耦合可以用于连接这些部件。
  • 通过部件生成的中面之间有残余间隙,新增的耦合可用于连接这些部件。
  • 避免因在 T 型接头等部件中使用公共边造成的人为缺陷。您现在可以更精确地分析壳厚度。
  • 焊接建模,在这种情况下,您可以使用灵活的耦合,并计算焊缝中的力。
壳模型,以 Prism 颜色表显示中面的应力。 使用 边到边耦合的情况下壳内的应力。前景图:中面表示以及连接的边。背景图:在 数据集中使用真正的三维厚度会得到相同的结果。

壳顶面或底面的载荷

现在,在 接口中,您可以对中面以及顶面和底面施加载荷。使用厚度方向上的实际位置对于厚度很大的壳来说非常重要,尤其是在弯曲的情况下更是如此,否则相应的扭矩贡献将不被考虑在内。您可以在更新的壳与实体连接教学案例中查看这一新特征的应用演示。

空心圆柱壳模型,以红色箭头显示内压。 圆柱壳的内压。新增的 数据集用于可视化。

模态综合法

使用固体力学多体动力学 接口建立的线性组件可以用 Craig–Bampton 方法降阶为计算效率高的降阶模型。然后,您可以将这些组件用于动态或静态分析,或者用于完全由降阶组件组成的模型,也可以将它们与未降阶的弹性有限元模型一起使用,后者可以是非线性的。这种方法称为模态综合法 (CMS) 或动态子结构,可以在计算时间和内存使用率方面带来很大的改进。您可以使用与模型的任何其他部分相同的方式呈现降阶组件中的结果(如应力和应变)。您可以在模态综合法教程中查看这一新特征的应用演示。

变速箱模型,绿色外壳显示网格,内部有黄色的旋转齿轮。 在这个变速箱模型中,外壳(绿色)被降阶为一个具有 74 个自由度 (DOF) 的等效动态模型,它作为齿轮机构的支撑。旋转齿轮的整个强非线性模型有 170 个自由度。

机械接触建模更加容易

您现在可以更容易地建立包含机械接触的装配结构分析,这得益于内置的对、接触和连续性自动化特征。如果模型中至少有一个接触对,那么软件将在相关的结构力学接口中自动创建一个默认的接触 节点。同样,如果至少有一个一致对,软件会自动创建一个默认的连续性 节点。因此,如果几何中的部件彼此相邻放置,那么从物理学的角度来看,它们也将被连接起来,前提是您在几何序列中的形成装配 节点中使用了自动创建对。

由于对功能的全面重构,不再需要接触 中的当前物理场的外部源 复选框,因此已将其移除。也就是说,不同物理场接口之间的接触也是自动处理的。

包含接触连续性 的所有模型都已相应更新。

减缩积分

固体力学 接口中,新增了一个框架,用于减缩积分的数值技术。当每个积分点的计算成本很高时,减缩积分特别有用,对于许多高级材料模型来说更是如此。它还可以用于缓解某些材料模型的锁定问题。

对于具有线性形函数的单元,减缩积分会导致刚度矩阵的奇异性,这可以通过增加沙漏稳定性来抵消。

在各种材料模型中,减缩积分由正交设置 栏控制,可用于顶层的材料模型,如线弹性材料。选定的积分规则将被任何可能添加的子节点所继承。

螺栓建模增强功能

新版本引入了对螺栓结构建模的多项增强功能来提高效率:

  • 螺栓预紧力 特征现在也可以在 接口中使用,从而有助于使用梁单元简化螺栓建模。
  • 实体-梁连接 多物理场耦合已扩展,您现在可以将梁上的一个点连接到实体的一个边。这个增强功能绝不仅限于螺栓建模,当使用梁单元为螺栓建模时,它对螺栓头的简化表示特别有用。
  • 现在,通过使用单个螺栓预紧力 研究步骤,您可以按照用户定义的顺序拧紧一组螺栓,从而更便于模拟螺栓拧紧顺序起重要作用的情况。
  • 螺栓预紧力现在也可以用拧紧力矩来指定。
  • 当模型中包含螺栓时,软件将自动创建一个包含螺栓力的计算组。
  • 可以自动生成识别螺栓的标签。

您可以在新增的预紧螺栓建模教学案例中查看这些功能改进。

有五个螺栓的实心板模型,其中显示表面的应力。 通过实体单元和梁建模的螺栓,显示螺栓头下表面的应力。

黏弹性改进

新版本为黏弹性材料模型引入了多项重要改进:

  • 对于频域和瞬态分析,所有的黏弹性模型都得到了增强,现在可以将黏弹性也包含在体变形中。
  • 广义麦克斯韦 模型中,您现在可以精简表示指定载荷带宽之外的频率范围的分支,从而提高具有几十个黏弹性分支的模型的瞬态分析性能。
  • 对于频域分析,通过新增的用户定义的黏弹性模型,您可以输入损耗和存储模量或柔量的频率相关表达式。
  • 借助黏弹性方程的新公式,您现在可以通过阻尼特征频率问题的标准操作过程来求解含有黏弹性材料的结构的特征频率。以前,特征值问题在频率上是非线性的,一次只能找到一个特征频率。 您可以在更新的黏弹性结构阻尼器的特征模态黏弹性结构阻尼器 - 瞬态分析教学案例中查看这些改进。

膜起皱

只有所有面内应力都是拉应力时,膜才是稳定的。当膜中的主应力低于零时,刚度矩阵就会产生奇异,从物理上来说,这意味着会出现褶皱。现在可以通过在 接口的线弹性材料 节点下添加新的褶皱 子节点来处理这种情况。您可以在以下模型中查看这一新特征的应用演示:

充气的安全气囊模型,用蓝色表示褶皱区域,用红色箭头表示主应力。 安全气囊充气过程中起皱。由于只有一个主应力(红色箭头)大于零,因此在蓝色区域中检测到褶皱。

新增的阻尼模型

新版本为机械材料模型添加了新的阻尼模型:

  • 波衰减 模型本质上是一个黏滞模型,但其参数由材料中弹性波衰减的测量数据给出,可以在固体力学线弹性材料 中添加。
  • 最大损耗因子 模型主要用于材料的时域分析,对于这些材料,损耗因子表示在频域中给出了充分的描述。这种阻尼模型适用于支持黏滞阻尼的所有材料模型。
  • 压电材料 特征中,除了机械阻尼最大损耗因子 之外,还一种新的介电损耗频域阻尼模型:复介电常数
  • 对于电荷守恒,压电 接口,您现在可以添加两个新的色散模型:德拜多极德拜

裂纹建模增强功能

使用裂纹 特征对裂纹进行建模时,您现在可以使用多个增强功能:

  • 您现在可以通过添加裂纹闭合 子节点来抑制裂纹的过度闭合,这将增加一个接触条件,可以将裂纹中的摩擦也包含在内。
  • 使用面载荷 子节点时,您现在可以指派一个载荷组,以便在某些载荷工况下限制和缩放载荷。
  • 应力强度因子 KI、KII 和 KIII 现在用一个符号来计算。因此,您可以确定一组载荷工况下的 KII 等值的范围。KI 值为负表明裂纹表面是重叠的(假设未使用裂纹闭合)。为了控制三维应力强度因子的符号定义,新版本新增了一个子节点反向裂纹前沿
  • 使用 J 积分 子节点中的新选项,您可以详细控制如何根据 J 积分确定应力强度因子 KI、KII 和 KIII
边上有裂纹的二维板,显示了张力(左)和压缩板(右)。 使用 裂纹闭合特征的情况下,边上有裂纹的板受到张力作用的情况(左)和受到压缩作用的情况(右)。

混合公式改进

在可以选择混合公式的材料模型中,您现在可以修改额外因变量(压力或体积应变)的离散化,这样一来,在低压缩性的材料中更容易避免锁定和不稳定性。

线弹性材料 设置下选择混合公式后,软件将自动为材料模型生成一个新的离散化 栏。在此栏中,您可以为额外的因变量选择不同类型的形函数。

应力线性化增强功能

固体力学 接口中的应力线性化 功能有两项改进,使其更易于使用:

  • 不再需要使用几何线来定义整个厚度范围的应力分类线,现在您可以在任意两个点之间使用一条线。这些点可以是几何点,也可以是由坐标指定的位置。
  • 应力线性化值可以通过边界上的场来表示。在这种情况下,通过大量自动生成的线来执行计算,这些线延伸到边界的正交位置。通过使用这种方法,您可以找到放置应力分类线的最差位置。

您可以在更新的压力容器中温度相关的塑性教学案例中查看这些增强功能的应用演示。

一个压力容器模型,其中显示应力强度和温度。 应力强度,绘制为压力容器外部的边界上的一个场。体按温度来着色。在这样的温度瞬变过程中,如果看不到边界上的分布,很难找到通过压力容器壁的应力线性化的关键位置。

纤维增强的线弹性材料

通过在线弹性材料 下添加一个或多个纤维 子节点,您可以通过分布式纤维的效果来增加刚度,其中假设纤维含量是材料总体积的一小部分。为了模拟纤维屈曲,纤维可以选择性地仅在张力下起作用。您也可以通过在纤维 节点下添加热膨胀 子节点来模拟纤维的热膨胀。

内侧有纤维的实心圆柱模型,以 Rainbow 颜色表显示应力。 嵌入纤维的实心圆柱的应力。请注意,纤维实际上是以体积分数的形式均匀分布的;流线用于生成可视化效果。

固体中截面力的计算

通过在固体力学 中添加新的截面力 节点,您可以计算固体结构中横截面上的截面力(轴向力、剪力、弯矩和扭矩)。您可以在更新的管路连接处的预应力螺栓教学案例中查看这一新特征的应用演示。

一个管模型,其中以 Rainbow 颜色表显示中心的横截面。 在承受弯曲和扭转作用的管的横截面中的力矩分布。

屈曲分析中的初始缺陷

现在,在执行完全非线性屈曲分析时,您可以使用线性屈曲分析中屈曲模式的线性组合作为几何的初始缺陷。此功能由新增的屈曲缺陷 节点控制。您可以在更新的桁架塔线性屈曲分析教学案例中查看这一新特征的应用演示。

残余应力的输入

外部应力 子节点设置中,现在有一个残余应力 选项。残余应力的贡献将不会直接影响位移,也就是说,如果您只输入一个残余应力,没有其他载荷,就不会发生位移。但是,该应力被添加到应力张量中,这是因为它是各种材料模型中使用的应力状态的一部分。例如,这可以用于指定焊接后材料中存在的残余应力。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“结构力学模块”引入了许多新的教学案例。