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結構力學模擬模組

Description

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“結構力學模擬模組”是COMSOL Multiphysics ®的一個專為分析固體結構的力學特性而量身定制的有限元素分析模組。此模組為您提供固體力學、動力學和振動、材料建模、殼、梁、接觸、裂隙等方面的建模工具和功能，其應用領域包括機械工程、土木工程、地質結構力學、生物力學和MEMS 元件。

“結構力學模擬模組”帶來了內置的多物理域耦合，包括熱應力、流-固耦合及壓電。藉由將它與COMSOL 產品庫中的其他模組相結合，您可以進行高級的熱傳、流體流動、聲學和電磁效應模擬；並進一步擴展建模功能，實現專門的材料建模和CAD 導入功能。

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運行各種結構分析
模組中提供多種分析類型用於預測虛擬環境中的結構性能。借助“結構力學模組”，您可以求解以下相關問題：應力和應變；變形、剛度和柔度；固有頻率；動負載響應以及屈曲不穩定性，等等。

靜態
特徵頻率
- 無阻尼
- 有阻尼
- 預應力
瞬態
- 直接疊加或模態疊加
頻率響應
- 直接疊加或模態疊加
- 預應力
幾何非線性與大變形
機械接觸
屈曲
響應頻譜
隨機振動

有限元素

“結構力學模擬模組”為各種類型的結構分析提供了一套完整的建模工具。基於有限元法，不僅可以模擬三維實體，還可以對二維公式（平面應力、平面應變、廣義平面應變和軸對稱）進行建模，並提供了專業的殼和板、膜、樑、管、桁架和1維線模型，以及所有這些不同模型之間的轉換。

對於三維實體建模，提供許多選項用於設置單元形狀和階數。常見單元包括三角形、四邊形、四面體、六面體、棱柱和金字塔單元等。您可以在一階、二階和高階單元之間進行選擇，對於多物理場分析，還可以選擇混合階數的單元。

結構力學模擬模組的特徵和功能
“結構力學模擬模組”為運行各種結構分析提供專用的特徵和功能，並支持在COMSOL Multiphysics ®平台上無縫工作，從而實現一致的建模工作流程

固體力學

固體力學建模選項包括全三維、二維（平面應力、平面應變和廣義平面應變）以及二維軸對稱，並提供最通用的方法來分析內置了與大量物理領域的多物理域耦合的固體結構。我們提供了多種材料模型來準確描述固體力學問題，您還可以藉由基於數學方程的建模輕鬆解決這些問題。藉由使用常數、隨空間變化的表示式、各向異性表示式或非線性表示式或上述各項的組合，您可以自行定義材料屬性；此外，還可以根據用戶定義表示式來開啟和停用單元。

動力學和振動

“結構力學模擬模組”包含暫態和頻率響應分析。頻率響應分析包含特徵頻率、阻尼特徵頻率和頻率掃描分析。此外，還提供專門的研究類型用於隨機振動和響應頻譜分析。藉由隨機振動分析，您可以基於功率譜密度（PSD）與頻率的函數關係進行輸入，包括不相關和完全相關的負載。例如，一個典型的案例是塔上的風力負載。人們常使用響應頻譜分析作為確定對地震和衝擊等短期不確定性事件結構響應的有效方法。

殼和膜

在處理薄結構時，使用殼（三維、二維軸對稱）和板（二維）單元可以提高建模效率，其中涉及的公式可用於分析厚殼建模所需的橫向剪切變形。您可以指定與所選表面垂直的方向的偏移量，從而簡化使用全三維幾何表示進行的建模過程。殼單元分析的結果可以顯示為完整的實體表示。

薄膜和纖維織物等非常薄的結構需要使用不含抗彎剛度的公式，這可以在膜的物理介面中實現，其中三維或二維軸對稱曲面應力單元用於計算面內和面外位移，包括褶皺效應。在研究這類結構時，普遍的做法是從預應力狀態開始進行分析。

樑、管和桁架

提供了專門的單元類型來模擬樑，藉由它們的橫截面屬性進行描述。其中的內置公式可用於計算細長樑（Euler-Bernoulli 理論）和厚樑（Timoshenko理論）。藉由預定義的耦合，您可以將樑與其他單元類型混合使用，研究梁對實體和殼結構的加強作用。此外，還提供了常見的橫截面類型應用，以及對一般橫截面進行建模的功能。

不僅如此，您還可以使用“結構力學模組”對只能承受軸向力（桁架）的細長結構進行建模，這些單元還可用於模擬下垂電纜和鋼筋。

管的結構分析與樑的結構分析類似，但增加了通常對管中的應力有顯著影響的內壓。此外，溫度梯度通常出現在管壁上，而不是整個管段。藉助管道流模組，您可以直接從管道流和熱分析的結果中獲取來自內壓和曳力的負載。

彈性波

為彈性波在各向同性、正交各向異性、各向異性和壓電體中的傳播進行建模，適用於單物理場或多物理場應用，例如振動控制、無損檢測（NDT）或機械反饋。應用領域涉及微觀力學問題到地震波的傳播，有著廣泛的適用範圍。

固體力學介面使用完整的結構動力學公式，可以分析固體中的剪切波和壓力波效應，還可用於分析彈性波。機械端口條件可用於激發和吸收波導結構中的傳播模式，併計算組件的散射矩陣。吸收邊界條件和完美匹配層（PMLs）能夠有效地模擬無邊界區域。

彈性波，時域顯式介面專用於求解瞬態線彈性波在包含多個波長的大型域中的傳播問題，它採用高階dG-FEM 時域顯式方法，支持多物理場，並能無縫耦合到流體域。

接觸和摩擦

在機械模擬中，經常發生物體相互接觸的情況。我們可以藉由靜態和動態分析來研究接觸建模，並且接觸物體可以具有任意大的相對位移。此外，還可以模擬摩擦（黏附和滑動）的影響。

接觸分析功能還可以指定接觸物體之間的黏附和剝離，並模擬物體彼此相對滑動時由磨損引起的材料移除。

材料模型

“結構力學模組”提供線彈性、黏彈性和壓電材料模型，而且您也可以藉由添加非線性結構材料模組或地質結構模組來使用各種非線性材料模型，包括超彈性和彈塑性模型。

此外，您還可以藉由多種方式來擴展現有的材料模型，也可以創建您自己的材料模型。在材料屬性的輸入框中可以直接輸入與其他物理場介面中的應力、應變、空間坐標、時間或場相關的表示式。在頻域分析中，您可以輸入複數表示式，例如，可以添加定制的微分方程以提供非彈性應變貢獻。

材料模型可以包含熱膨脹、吸濕膨脹、預應力和預應變，以及多種類型的阻尼。材料屬性可以是各向同性、正交各向異性或完全各向異性。您可以藉由提供用C 語言編寫的外部函數來建構自己的材料模型。

斷裂力學

支持多種不同的裂紋建模方法。裂紋可以無限細，既可以由單個邊界表示，也可以由幾何中的不相交曲面表示。一個裂紋可以有任意數量的分支和相應的裂紋前沿。

J 積分和應力強度因子可以在二維和三維中進行計算。並可以指定裂紋面上的負載。

藉由添加非線性結構材料模組或地質結構模組，您可以根據各種準則對脆性材料的損傷和斷裂進行建模。

負載與約束

“結構力學模組”提供許多不同的負載與約束選項，有助於實現高傳真性的建模。定義域、邊界和邊上的分佈負載、隨動負載和移動負載。指定總力，包括重力或附加質量，還包括帶有離心力、科里奧利力和歐拉力的旋轉坐標系。

為了約束模型，模組提供了彈簧和阻尼器，以及指定的位移、速度和加速度。週期性邊界條件、低反射邊界、完美匹配層（PML）和無限元有助於減小模型尺寸，從而實現高效建模。

工程特徵

在“結構力學模組”中，您將發現一些結構工程特徵，它們可以幫助您更快地創建現實世界的模型。這些特徵包含邊界條件，比如用於模擬剛性區域和運動約束的剛性連接件、帶預緊力的螺栓、用於分析壓力容器的應力線性化，等等。

剛性連接件
剛性域
自動處理從NASTRAN ®導入的RBE2 單元
螺栓預緊力
螺栓螺紋接觸建模
應力線性化
安全係數表示式
計算實體切口中的截面力
負載工況
負載工況疊加
計算有效材料屬性
- 使用代表性體積元素（RVE）

結構力學模擬模組的擴充結合模組
與 COMSOL Multiphysics ®平台完全整合的專用分析

非線性結構材料模組和地質結構模組藉由100 多種不同的非線性材料模型擴展了“結構力學模擬模組”的功能。

添加複合材料模組可以分析薄層結構（複合材料），比如飛機零組件、風力發電機葉片、汽車零組件等結構中的纖維增強塑料、層壓板和夾層板。

添加疲勞模組可以計算結構的疲勞壽命：基於應力的高週疲勞和基於應變或能量的低週疲勞。其中提供雨流計數法(rainflow cycle counting)、累積損傷以及多軸疲勞和振動疲勞功能。

添加轉子動力學模組可以為旋轉電機進行建模，其中的不對稱可能導致不穩定和破壞性共振。您可以使用圓盤、軸承和基座來構建轉子組件，並使用坎貝爾圖、軌道圖、瀑布圖和旋轉圖來分析結果。

從第三方CAD軟體導入設計
從眾多整合介面中進行選擇，並將其與 COMSOL Multiphysics ^®平台連接

使用CAD Import 模組可以將各種符合行業標準的CAD 格式導入COMSOL Multiphysics ®進行模擬分析。可用特徵包括用於修復和清理CAD 幾何的選項，以便進行網格劃分和分析；不僅如此，這些特徵還支持訪問Parasolid ®幾何內核，使您可以使用高級實體選項。設計模組也包含這些功能，並支持以下三維CAD 操作：斷面混成、圓角、倒角、抽取中面和加厚。

您可以從一系列LiveLink™整合介面產品中進行選擇，並藉由這些產品來同步CAD 原始模型，以便在COMSOL ®軟體中使用。不僅如此，您還可以同時更新CAD 系統和COMSOL Multiphysics ®中的幾何參數，並基於多個不同的建模參數執行參數化掃描和設計優化。