結構力學模組更新

結構力學模組更新

COMSOL Multiphysics ® 5.3版本針對“結構力學模組”的用戶引入了稱為應力線性化的建模技術、螺栓預緊力研究步驟以及用於剛體抑制的邊界條件。請閱讀以下內容,了解“結構力學模組”中的所有新增特徵和功能。

應力線性化計算

應力線性化是一種後處理技術,在固體模型中,它將通過薄截面的應力表示為一個恆定的膜應力場和一個呈線性變化的彎曲應力場。在分析壓力容器時常會用到這類計算,ASME標準ASME鍋爐和壓力容器規範(ASME Boiler & Pressure Vessel Code)的第三卷第一冊的NB分冊中對此進行了描述。這項技術還可以應用到計算混凝土結構中的鋼筋,以及一些焊接分析等。

使用新增的應力線性化後處理節點時可以選擇需要執行應力線性化計算的邊,可得到有關膜應力、彎曲應力和峰值應力的報告,併計算每條這樣的應力分類線的應力強度。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中應力線性化的案例。 使用應力線性化計算得到的三條應力分類線。這幾條線(表示為管道)位於模擬的凸緣面上,應力強度值由顏色條表示,圖中顯示了最大應力強度。表面圖描述三維對像中的von Mises 應力。 使用應力線性化計算得到的三條應力分類線。這幾條線(表示為管道)位於模擬的凸緣面上,應力強度值由顏色條表示,圖中顯示了最大應力強度。表面圖描述三維對像中的von Mises 應力。


有關使用應力線性化後處理技術的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

專用於螺栓預緊力的研究步驟

新版本引入了一個新的研究步驟,旨在用於包含預緊力螺栓模型的第一個分析步驟。螺栓預緊力研究步驟直接求解其他研究步驟中未涉及的螺栓預變形。執行這一研究步驟後,您無需再手動設置與螺栓分析相關的自由度的激活狀態。

螺栓預緊力的COMSOL Multiphysics 示例。

一個採用預張緊螺栓固定支架的設計。第一個研究節點在模型樹中包含新增的螺栓預緊力研究類型。第二個研究則求解穩態分析。

一個採用預張緊螺栓固定支架的設計。第一個研究節點在模型樹中包含新增的螺栓預緊力研究類型。第二個研究則求解穩態分析。

有關使用螺栓預緊力研究步驟的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Tutorials/bracket_contact

對稱平面中螺栓的自動檢測及其建模條件的處理

新版本中,可以自動檢測由對稱平面切割的預緊力螺栓。經切割後螺栓上的給定預緊力和計算的螺栓力都可轉換成完整螺栓上的力,由此極大地簡化了建模的工作流程。

使用“結構力學模組”創建的預張緊螺栓的應力圖。 對稱平面切割的預張緊螺栓的應力圖。檢測到螺栓已切割,將其作為一個完整螺栓處理。這一操作避免了單獨定義由對稱平面切割的螺栓。此模型中的所有螺栓都可以指定相同的條件。 對稱平面切割的預張緊螺栓的應力圖。檢測到螺栓已切割,將其作為一個完整螺栓處理。這一操作避免了單獨定義由對稱平面切割的螺栓。此模型中的所有螺栓都可以指定相同的條件。

有關自動檢測對稱平面中螺栓的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

自動抑制剛體運動

當載荷自平衡的時,不再需要確切地給出約束的實際位置。只要約束明細滿足以下條件,就可以分析自平衡模型:不可能存在剛體運動以及未引入反作用力。現在,新增的剛體運動抑制條件可用於這幾類分析。此特徵基於幾何模型和物理場接口自動施加一組合適的約束。

剛體運動抑制條件可用於以下物理場接口:

  • 固體力學(三維、二維和二維軸對稱)
  • 殼(三維)
  • 板(二維)
  • 膜(三維和二維)
  • 梁(三維和二維)
  • 桁架(三維和二維)
  • 多體動力學(三維和二維)
應用“剛體運動抑制”條件後受熱電路的COMSOL 模型。

本例中電路受熱產生熱膨脹導致變形。應用剛體運動抑制條件可確保模型充分約束,從而得到正確的解。該繪圖顯示von Mises應力。

本例中電路受熱產生熱膨脹導致變形。應用剛體運動抑制條件可確保模型充分約束,從而得到正確的解。該繪圖顯示von Mises應力。

有關剛體運動抑制的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/heating_circuit

安全係數計算

線彈性材料非線性彈性材料節點中新增的安全性屬性,尤其是安全係數,使您能研究材料在結構中的使用。計算安全係數時,可以採用大量不同的各向同性、正交各向異性或各向異性失效準則,包括用戶定義的表達式。加入安全性節點後,您可以訪問有關安全係數、安全裕度以及損傷指數和失效指數的後處理變量。

接口的線性屈曲分析

現在可以在接口中執行線性屈曲分析,從而為各類框架結構受壓下的臨界載荷分析提供便利。此外,使用多個結構力學接口及混合使用結構力學接口的模型現在也可以使用此研究或分析類型。這是因為這一分析類型已經可用於固體力學接口等其他物理場接口中。

COMSOL Multiphysics 中的線性屈曲分析。 空間框架承受垂直載荷時的屈曲形狀。 空間框架承受垂直載荷時的屈曲形狀。

有關接口的屈曲分析的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Verification_Examples/space_frame_instability

新增殼單元分析結果數據集

在分析多種薄結構時可以使用殼單元和邊界網格,無需採用三維網格,從而可以節省計算資源。但是,對於一個三維結構,如果在後處理步驟中必須使用殼單元,那麼當殼的上表面和下表面的結果完全不同時,對這個三維結構做可視化處理是非常困難的。將上述殼單元與模型中使用三維網格進行分析的其他三維部分一同進行高效的可視化處理時,這樣做甚至更為艱難。

在新的COMSOL Multiphysics ®發行版中,您可以根據兩個平行表面上的殼單元分析結果進行繪圖,並將其更高效地呈現在三維可視化視圖中。默認情況下,兩表面的間距為殼單元分析中使用的厚度。而且您可以手動修改這一間距,增強極薄對象的可視化效果。所有這些結果數據都歸檔在結果節點下新增的數據集中。

左圖:支架的幾何結構。 右圖:殼兩側受到應力作用的支架的COMSOL 繪圖。

支架的應力分析,其中使用接口分析特定的幾何部分,其他部分則使用固體力學接口進行分析。分析用於分析這一幾何的殼單元時,所有默認繪圖中的殼都顯示為由殼的厚度參數分隔開的兩個平行表面。在左側的默認幾何圖中,殼部分顯示為頂面呈藍綠色的平行表面,實際為三維結構的其他部分幾何已隱藏。右側的繪圖中,使用數據集顯示了殼兩側的應力(未顯示固體單元模擬的幾何部分的結果)。

支架的應力分析,其中使用接口分析特定的幾何部分,其他部分則使用固體力學接口進行分析。分析用於分析這一幾何的殼單元時,所有默認繪圖中的殼都顯示為由殼的厚度參數分隔開的兩個平行表面。在左側的默認幾何圖中,殼部分顯示為頂面呈藍綠色的平行表面,實際為三維結構的其他部分幾何已隱藏。右側的繪圖中,使用數據集顯示了殼兩側的應力(未顯示固體單元模擬的幾何部分的結果)。
The geometry of a bracket.

Stress analysis of a bracket where certain parts of the geometry are analyzed using the Shell interface and other parts use the Solid Mechanics interface. When a Shell analysis is used to analyze the shell elements of this geometry, the default plot (shown here) presents the shells as two parallel surfaces separated by the thickness parameter of the shells, with the top surface colored in blue-green, while the parts of the geometry are 3D in nature have been hidden.

Stress analysis of a bracket where certain parts of the geometry are analyzed using the Shell interface and other parts use the Solid Mechanics interface. When a Shell analysis is used to analyze the shell elements of this geometry, the default plot (shown here) presents the shells as two parallel surfaces separated by the thickness parameter of the shells, with the top surface colored in blue-green, while the parts of the geometry are 3D in nature have been hidden.
A COMSOL plot of a bracket with stresses on both sides of the shells.

Stress analysis of a bracket where certain parts of the geometry are analyzed using the Shell interface and other parts use the Solid Mechanics interface. The plot here shows the stresses on both sides of the shells using the Shell data set (results on parts of the geometry modeled by solid elements are not shown).

Stress analysis of a bracket where certain parts of the geometry are analyzed using the Shell interface and other parts use the Solid Mechanics interface. The plot here shows the stresses on both sides of the shells using the Shell data set (results on parts of the geometry modeled by solid elements are not shown).

結構力學各接口之間新增了多物理場耦合

此版本引入了以下三個新的多物理場耦合接口,使不同結構力學接口之間的連接明顯變得更輕鬆:固體-殼連接固體-梁連接殼-梁連接由此,梁連接殼連接固體連接這三個過去可以添加在固體力學節點下的子節點現在已過時,在此版本中已移除。在連接固體力學接口或多體動力學接口中的域時,固體-殼連接固體-梁連接耦合非常有用。

這三個屏幕截屏顯示了“結構力學模組”中的各種“連接設置”。

固體-殼連接殼-梁連接以及固體-梁連接耦合(從左到右)中可用的連接設置。

固體-殼連接殼-梁連接以及固體-梁連接耦合(從左到右)中可用的連接設置。

通過材料數據描述彈性層

現在,您可以使用楊氏模量和泊鬆比等材料數據,並結合給定的層厚度來指定彈簧基礎或彈性薄層的彈性屬性,簡化建模過程,例如,模擬具有已知材料屬性的粘結層等類似模擬。在使用材料數據和厚度作為輸入時,還可以得到彈性層中的應變結果。

固體力學中的模態分析

固體力學接口的二維模型中新增了一個模態分析研究類型,用於研究波在面外方向行進的振型和波數。相關的應用包括常規的聲-結構相互作用以及橫截面的無損評價。固體力學接口的二維軸對稱模型新增了一個周向模態擴展選項,在特徵頻率研究中可用於進行周向振型和模態數的計算。

注:示例中的模型還需要“聲學模組”。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中的模態分析示例 含薄彈性壁的消聲器腔中的傳播模態。顯示了聲壓和結構變形。 含薄彈性壁的消聲器腔中的傳播模態。顯示了聲壓和結構變形。

有關新增的模態分析研究類型的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

幾何非線性分析中新增的非彈性應變框架

對於幾何非線性的情況,實現了分解成彈性變形和非彈性變形這樣一個新的框架,且處理更嚴格。COMSOL ®軟件以前的版本使用附加分解方法,對於大應變塑性分析等幾種例外情況,則使用乘法分解方法。

乘法分解現在仍適用於以下各種分析:

  • 熱膨脹
  • 浸潤膨脹
  • 預應變
  • 外部應變
  • 粘塑性
  • 蠕變

對於涉及幾何非線性的研究,變形梯度中的乘法分解現在是分析所有非彈性情況的默認選項,其主要優勢在於可以在一種材料中處理多種大型非彈性應變情況。不僅如此,這種方法還使線性化更一致,因為現在可以精確地預測由純熱膨脹引起的特徵頻率偏移。如果要切換回COMSOL Multiphysics ®軟件以前版本中的方法,則可以在各材料模型的“設置”窗口中選中新的附加應變分解複選框。


這一功能增強還包括線彈性材料節點和非線性彈性材料節點下的外部應變屬性中擴充了幾個新選項。這幾個選項允許以多種形式提供非彈性應變,還可以將其他物理場接口中的非彈性應變傳遞到此屬性中。此外,具有類似性質的外部應變屬性已添加到“超彈性材料”中。

接口中的剛體域

現在可以從接口訪問“剛體域”材料模型。對於剛度明顯大於周圍零件的零件,這是一種有效的建模技術,因為它僅要求對整個邊界集()或邊的集合()提供剛體自由度。就如同對固體力學多體動力學接口中相應的材料模型那樣,您也可以在剛體的任意位置施加載荷、彈簧和慣性。

接口中的剛性連接線

剛性連接線特徵現在可用於接口。可以選擇一組節點,組成剛性區域供隨後使用,例如用於避免對梁連接處的柔性作過高估計。它還可以是施加偏心載荷、彈簧或額外慣性的一種方式。

剛體域和剛性連接線的彈簧邊界條件

新增了一個名為彈簧基礎的彈簧邊界條件,所有物理場接口中的剛性連接線剛體域特徵都得到了增強。該邊界條件具有以下屬性:

  • 彈簧可以附著到任意位置
  • 包含平移和轉動兩種彈簧
  • 彈簧可以具有阻尼損耗因子
  • 彈簧可以和粘滯阻尼同時起作用(平移和旋轉均如此)

用於接觸建模的能量變量

針對接觸建模新增了包含多個能量的變量。現在可以得到摩擦產生的耗散能量,以及存儲在接觸罰因子中的彈性能。在檢查能量平衡以及對選定的罰因子進行後驗檢查時,這一功能非常有用。

COMSOL Multiphysics 中的這一繪圖描述了圓柱體在滾動和滑動時的能量平衡。 通道內的圓柱體在重力作用下進行滾動和滑動時的能量平衡。 通道內的圓柱體在重力作用下進行滾動和滑動時的能量平衡。

有關包含用於接觸建模的新能量變量的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

接觸的頻域分析

如果您已在之前的研究中計算出某個結構的接觸狀態,則可以研究該結構的頻率響應。例如,可以對螺接結構執行頻域分析,並研究接觸狀態對動態屬性的影響。

指定速度和指定加速度的諧波擾動

接口中,您可以為指定速度指定加速度節點提供諧波擾動值。

控制物理符號的功能得到增強

現在可以更好地控制“圖形”窗口中顯示的幾何上的可視化物理符號,在各物理場接口的“設置”窗口以及物理場節點下各個特徵的設置中切換這些選項的開和關。

上圖:顯示“固體力學”對應的“物理符號”選項的屏幕截圖。 下圖:顯示“點載荷”對應的“物理符號”選項的屏幕截圖。

“圖形”窗口中模型設置上物理符號的顯示切換。可以在主節點(例如,固體力學)的“設置”窗口中選擇啟用物理符號(上圖),也可以在單個特徵(例如,點載荷)的“設置”窗口中進行選擇(下圖)。

“圖形”窗口中模型設置上物理符號的顯示切換。可以在主節點(例如,固體力學)的“設置”窗口中選擇啟用物理符號(上圖),也可以在單個特徵(例如,點載荷)的“設置”窗口中進行選擇(下圖)。

外部材料功能得到增強

根據用戶定義的C 代碼創建的材料模型在功能和可用性方面都得到了較大提升:

  • 現在可以實現非線性彈性材料和超彈性材料產生非彈性應變
  • 新增了兩個C 代碼接口,可以輸入包括變形梯度在內的多個物理量
  • 現在可以包含巧湊邊點形函數
  • 新增了小應變公式
  • 可以先對用戶函數調用進行特殊初始化
  • 可以對用戶函數調用進行清理(例如,關閉文件)
  • 可以分別命名狀態變量
  • 可以將時間作為輸入變元

新增的教學模型:瞬態滾動接觸

“瞬態滾動接觸”示例介紹瞭如何處理粘滑摩擦轉換的瞬態接觸問題這個概念。在半管式滑道的頂部釋放一根僅受重力載荷作用的中空軟管,軟管會發生滑動和滾動,具體的運動取決於其在滑道中的位置及其速度。由於受接觸力和慣性力作用,軟管的橢圓形橫截面發生變化。檢查能量是否平衡可以驗證解的精度。

有關瞬態滾動接觸的COMSOL Multiphysics 教學模型。 一根軟管從半管式滑道的頂部區域下落,重力和接觸力會影響軟管的運動和橫截面的形狀。圖中顯示了某一時間點上軟管的應力,以及軟管在滾動和滑動間變化時軟管上某一點的軌跡。 一根軟管從半管式滑道的頂部區域下落,重力和接觸力會影響軟管的運動和橫截面的形狀。圖中顯示了某一時間點上軟管的應力,以及軟管在滾動和滑動間變化時軟管上某一點的軌跡。

“案例庫”路徑:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

新教程:複合輪系的噪聲輻射

預測動力系統中的噪聲輻射可以使設計人員在設計過程的早期就洞察到移動機構的特性。例如,考慮一個齒輪嚙合剛度發生變化引起振動的變速箱。振動通過軸和關節傳遞到變速箱的外殼上,外殼的振動進一步將能量傳遞到周圍的流體中,產生聲波輻射。

此教學模型模擬了輪系外殼上的噪聲輻射。首先,在時域執行多體動力學分析,計算驅動軸達到指定速度時外殼的振動。然後,在選定的頻率執行聲學分析,使用外殼的法向加速度作為噪聲源計算近場、遠場和外部場中的聲壓級。

注:此模型還需要“多體動力學模組”和“聲學模組”。

移動輪系周圍箱體上的法向加速度。此模型還計算了輻射聲壓。


“案例庫”路徑:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise

Normal acceleration on the surrounding box of the moving gear train. In the model, the radiated acoustic pressure is also calculated.


Application Library path:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise