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執行結構力學分析的軟體

靜態、暫態和頻域結構分析

結構力學模組專門用於分析受靜態或動態負載作用的機械結構。您可以將在一系列廣泛的分析類型中使用本軟體,包括穩態、暫態、特徵模態/模態、參數化、準靜態、頻率響應、挫曲和預應力分析等。

輔助模組增強結構力學的分析功能
結構力學模組提供了二維、二維軸對稱 和三維坐標系中進行分析的用戶介面,用於分析固體、殼(三維)、板(二維)、桁架(二維、三維)、薄膜(二維軸對稱 、三維)和樑(二維、三維)等結構。

它們可以用於幾何非線性、機械接觸、熱應變、壓電材料和流固耦合(FSI)等應用的大形變分析。

如果要進行非線性材料分析,有兩個專業模組可供您使用—— 非線性材料模組和岩土力學模組。

對於疲勞壽命評估,您可以利用疲勞模組,如果要模擬柔體和剛體動力學,可以使用多體動力學模組。

結構力學模組還可以與COMSOL Multiphysics®及其他模組一起工作,將結構分析耦合到一系列廣泛的多物理場現像中,包括機械結構與電磁場、流體流動和化學反應等的相互作用。

 

 

 

 

 

 

材料模型

結構力學模組的本構模型包括線彈性和粘彈性材料模型,以及正交異向性材料和阻尼材料。

模組所包含的材料模型還可以通過增加非線性結構材料模組和岩土力學模組 進行擴展,支援分析大應變塑性形變、超彈性材料、塑性、潛變、粘塑性、岩石、混凝土和土壤等。

此外,用戶還可以透過COMSOL®軟體中極友好型的用戶介面靈活地輸入用戶自定義材料。

在許多情況下,您只需直接在用戶介面中以數學表達式(由場變量、應力與應變、常數以及衍生變量構成)的形式輸入本構方程即可,這替代了傳統的用戶編程方法。

例如,楊氏模數不僅可以定義為常數,還可以是任意場變量及其導數的函數。

材料屬性可以隨空間或時間變化,或使用複值表達式進行描述。

載荷、約束和專用的高性能模擬工具

模組內置了一系列廣泛的載荷和約束條件。這包括總力、壓力載荷、從動荷載、彈簧與阻尼、附加質量、指定位移、速度和加速度。

要模擬薄彈性部件,您可以使用彈性薄層介面。

此外,對於剛性和柔性混合結構,模組提供了特定的剛性域和剛性邊界條件,並附帶多體動力學模組的一些功能。在模擬一個嵌入彈性材料基座或位於其上方的較小結構時,可以使用無限元素域。

它模擬緩慢衰減的應力的吸收,使得可以在不損失精準的情況下模擬截斷的區域,同時又可以高效地模擬較大的結構。

固體力學

結構力學模組的固體力學介面定義了用於應力分析以及廣義線性與非線性固體力學的變量和功能,以求解位移。

線彈性材料是預設的材料模型。

其他材料模型為超彈性(需要非線性材料模組)和線性粘彈性材料模型。

此外,還可以使用熱膨脹、阻尼和初始應力與應變等功能擴展彈性材料模型應用。

廣義非彈性應變可以很容易地定義為額外初始應變作用,甚至可以是任何其他物理場(從電磁場到流場)的函數。

該模組中的彈性材料類型包括等向性、正交異向性和完全異向性等。

每種材料係數可以通過一個常數、變量、表單以及可隨空間與時間變化的複合非線性表達式來描述。

COMSOL Multiphysics ®可以解析任意表達式,這使您可以在COMSOL Desktop® 環境內完成高級模擬任務,而無需編程。

大形變和機械接觸

結構力學模組使您可以模擬考慮幾何非線性和從動載荷的大形變。

載荷可以是用戶定義分佈的,並且還可以取決於其他物理場,例如電磁力或流體作用力。

機械接觸問題同樣可以在該模組處理,並且支持多物理場耦合。

例如,您可以在接觸邊界定義熱通量(需要傳熱模組)或電流(需要AC/DC 模組),並利用接觸應力來模擬電流傳輸或熱傳輸的範圍。

殼、板和薄膜

殼(基於Mindlin-Reissner 公式)可用於薄壁結構的力學分析,並在其中考慮橫向剪切形變,使您也可以模擬厚殼結構。

此外,還可以在垂直於選定表面的方向上設定一個偏移量。

殼介面還包含了一些其他功能,例如阻尼、熱膨脹和初始應力與應變。

可用的預設求解器與固體力學介面相同。

類似於殼介面,板介面的過程讓那個也發生在單個平面內,但通常僅具有面外荷載。

薄膜介面模擬三維下的曲面應力單元,這些單元有可能同時在面內和面外方向發生形變。

殼和薄膜介面之間的區別是薄膜不考慮任何彎曲剛度。

該介面適合於模擬諸如薄膜和織物之類的結構。

振動、聲場和彈性波

軟體含有一系列振動分析的功能,並且可以選擇聲學模組與聲場進行耦合。

將結構力學模組與聲學模組組合時,您將可以使用專門模擬聲-殼耦合的介面。

聲學模組另外還具有模擬固-聲和壓電-聲耦合的物理場介面。

對於在材料中傳播的彈性波,結構力學模組提供了低反射邊界和完美匹配層,以模擬傳出的彈性波。

該功能使用戶可以簡便地模擬從相對較大或無限大介質中的振動結構產生的向外傳播的波。

疲勞估計

將疲勞模組添加到結構力學分析中,可以執行結構疲勞壽命計算。

可以使用高循環和低循環疲勞方法,以及累積損傷分析。

疲勞模組與結構力學模組的緊密整合,使您可以在COMSOL Desktop® 環境中進行結構力學和疲勞計算。

疲勞模組不僅可以與固體力學、薄殼、板和多體動力學介面一起使用,還可以耦合模擬熱應力、焦耳熱及熱膨脹和壓電器件的物理介面。

樑和桁架

結構力學模組中的樑介面用於分析可以通過橫截面屬性(例如面積和慣性矩)來描述的細長結構(樑)。

它們可以模擬框架結構(平面和三維),並且可以與其他單元類型耦合,例如分析固體和殼結構的加固。

樑介面內置了一個含有矩形、箱形、圓形、管道、H 形、U 形和T 形等樑截面的庫。

額外的功能包括阻尼、熱膨脹和初始應力與應變。一個稱為樑橫截面的獨立二維物理介面可以用於估算樑分析中任意輸入二維橫截面的橫截面屬性。

桁架介面可用於模擬只能承受軸向力的細長結構。桁架介面可以定義小應變,以及大形變應變。典型的應用如具有直邊的桁架,以及暴露在重力下的電纜(下垂電纜)。額外的功能包括阻尼、熱膨脹和初始應力與應變。

熱應力

結構力學模組不僅可以與COMSOL Multiphysics ®基本平台及其他專業模組整合,模擬許多不同的多物理場現象,而且它還包含了許多專用的多物理場介面。

例如,熱應力介面不僅具有固體力學介面的基本功能,並增加了熱線彈性材料模型。

它可以與各種傳熱介面組合,將溫度場耦合到結構(材料)膨脹中。

焦耳熱和熱膨脹多物理場介面含有熱應力模型與焦耳熱模型,模擬電流在結構中的傳導、歐姆損耗產生的電加熱,以及由溫度場產生的熱應力。

其他模組中的附加機械模擬功能

MEMS模組提供了微機電系統的特定結構模擬工具。

包括用於壓敏電阻、機電撓度、熱彈性振動的物理介面,以及更多的用於分析壓電元件的高級模擬工具。

對於力學分析,聲學模組包含了結構振動,聲壓波和彈性或多孔彈性波等模型。

地下水流動模組通過多孔彈性與多孔介質流動模型的結合而增強了固體力學介面的功能。

CAD 和最佳化

CAD載入模組提供了一系列行業標準CAD格式的載入功能,以及為網格剖分和計算製備CAD模型所需的幾何清理和修復操作等功能。

CAD載入模組還利用Parasolid ®幾何內核,來執行比COMSOL本體核心更進階的實體操作。

對於電子器件結構的機械模擬,ECAD載入模組提供了電子佈局載入功能。

在分析機械零件或裝配件時,保留原始CAD參數化模型非常重要,這樣就可以在無需重新構造模型參數的情況下執行參數求解和最佳化。

這透過使用針對幾個領先CAD系統的LiveLink™模組來實現:SOLIDWORKS® , Inventor ®、AutoCAD®、PTC ® Creo ® Parametric™、PTC ®Pro/ENGINEER ®和Solid Edge ®

這些模組可以並行更新CAD系統和COMSOL中的幾何參數,並可同時對幾個不同的模擬參數進行參數化掃描和最佳化。

透過最佳化模組,可以對幾何尺寸、邊界載荷或材料屬性進行自動最佳化。

壓電元件

壓電元件介面將COMSOL ®的固體力學和靜電模擬功能組合到一個全耦合的工具中,用於模擬壓電材料。

壓電耦合可以採用應力-電荷或應變-電荷的形式,並具有掃頻、特徵模態和暫態等形式的全耦合求解

透過該物理介面,可以存取所有固體力學和靜電介面的功能,例如,模擬周圍的線彈性固體或空氣域,以及介電層。

流固耦合(FSI)

流固耦合(FSI)多物理場介面將流體流動與固體力學進行耦合,用以了解流體和固體結構之間的相互作用。

固體力學和層流介面分別模擬固體和流體。

FSI 發生在流體和固體之間的邊界上,可以同時包含流體壓力和粘性力,以及從固體到流體的動量傳遞——雙向FSI。

用於FSI 的方法稱為任意拉格朗日歐拉法(ALE)。

特點

▲聲-結構相互作用1

▲樑

▲生物力學

▲螺栓預緊力分析

▲屈曲和後屈曲

▲接觸分析

▲疲勞評估2

▲流固耦合(FSI)

▲幾何非線性

▲大變形

▲潤滑和彈性流體動力學3

 

▲膜

▲模態分析

▲多體動力學4

▲非線性材料5

▲壓電元件

▲多孔彈性6

▲預應力結構

▲轉子動力學

▲零件庫,包含美國和歐洲螺栓的參數化幾何零件以及標準和通用樑

▲轉子動力學

 

▲殼

▲實體

▲應力線性化計算

▲應力-光學效應

▲結構接觸和摩擦

▲結構最佳化7

▲結構振動

▲熱應力

▲桁架* 粘彈性

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