Structural Mechanics Module Updates

Пользователи модуля Механика конструкций в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a получат возможность использовать новые интерфейсы: Magnetostriction (Магнитострикция) для моделирования широкого диапазона датчиков и приводов, Poroelasticity (Упругость пористой среды) для простого объединения уравнений механики твердого тела и гидродинамики, а также возможности моделирования адгезии и декогезии для анализа поведения объектов, слипающихся друг с другом или отслаивающихся друг от друга. Более подробное описание обновлений модуля Механика конструкций представлено ниже.

Новый интерфейс Magnetostriction (Магнитострикция)

С помощью нового интерфейса Magnetostriction (Магнитострикция) вы можете моделировать широкий диапазон датчиков и приводов на основе принципов магнитострикции. Одно из явлений магнитострикции, эффект Джоуля, описывает изменение длины объекта в результате изменения уровня намагниченности материала. Данный эффект используется в преобразователях гидролокаторов, акустических устройств, активных систем виброизоляции, систем позиционирования и впрыска топлива. Обратный эффект описывает изменение намагниченности в результате механического напряжения материала. Данное явление известно под названием эффекта Виллари и применяется при производстве датчиков.

При добавлении в модель интерфейса Magnetostriction (Магнитострикция) в ней создаются интерфейсы Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Magnetic Fields (Магнитные поля), мультифизическая связь Magnetostriction (Магнитострикция) или последовательность узлов. В интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела) была добавлена новая модель материала Magnetostrictive Material (Магнитострикционный материал) с тремя различными формулами: Linear (Линейный), Nonlinear isotropic (Нелинейный изотропный) и Nonlinear cubic crystal (Нелинейный кубический кристалл). При моделировании магнитострикционного материала в интерфейсе Magnetic Fields (Магнитные поля) используется новая функция Ampère’s law, Magnetostrictive (Закон Ампера, Магнитострикционный материал).

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему новый интерфейс Magnetostriction (Магнитострикция) с нелинейной изотропной моделью материала: Structural_Mechanics_Module/Magnetostrictive_Devices/nonlinear_magnetostriction

ПРИМЕЧАНИЕ. Для моделирования магнитострикционных свойств вам потребуется модуль AC/DC совместно с модулями Structural Mechanics (Механика конструкций), MEMS или Acoustics (Акустика).

Размещенный в Библиотеке приложений пример нелинейного магнитострикционного преобразователя, использующего нелинейную изотропную модель материала. Размещенный в Библиотеке приложений пример нелинейного магнитострикционного преобразователя, использующего нелинейную изотропную модель материала.
Размещенный в Библиотеке приложений пример нелинейного магнитострикционного преобразователя, использующего нелинейную изотропную модель материала.

Новый интерфейс Poroelasticity (Упругость пористой среды)

Между интерфейсами Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Darcy’s Law (Закон Дарси) теперь существует мультифизическая связь Poroelasticity (Упругость пористой среды). При добавлении интерфейса Poroelasticity (Упругость пористой среды) в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a создаются эти два отдельных интерфейса физики и мультифизическая связь в виде последовательности узлов. Это дает вам полный доступ к функциональным возможностям составляющих систему интерфейсов. Например, вы сможете моделировать явление упругости в пористой среде, добавив узел Soil Plasticity (Пластичность почвы) в интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела).

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему новый интерфейс Poroelasticity (Упругость пористой среды): Subsurface_FlowModule/Flow_and_SolidDeformation/multilateral_well

Распределение напряжений в результатах анализа упругости пористой среды из учебной модели Failure of a Multilateral Well (Аварийная ситуация на многозабойной скважине), размещенной в Библиотеке приложений. Распределение напряжений в результатах анализа упругости пористой среды из учебной модели Failure of a Multilateral Well (Аварийная ситуация на многозабойной скважине), размещенной в Библиотеке приложений.
Распределение напряжений в результатах анализа упругости пористой среды из учебной модели Failure of a Multilateral Well (Аварийная ситуация на многозабойной скважине), размещенной в Библиотеке приложений.

ПРИМЕЧАНИЕ. Для моделирования пороупругих явлений воспользуйтесь модулем Течения в пористых средах или комбинацией из модуля Механика конструкций и модуля расширения для потока текучих сред, которая поддерживает интерфейс Darcy's Law (Закон Дарси).

Моделирование адгезии и декогезии

С помощью нового подузла Adhesion (Адгезия) узла Contact (Контакт) вы можете анализировать различные производственные процессы, предполагающие слипание и расслоение. Контактирующие поверхности прилипают друг к другу, если выполнен определенный критерий. В качестве критерия могут выступать контактное давление, величина зазора между поверхностями или произвольное пользовательское выражение. Последнее может быть основано, например, на значении температуры, полученном в результате исследования теплопередачи. Вы также можете задать характеристики упругости для виртуального адгезивного слоя.

Две поверхности, соединенные с помощью адгезии, могут быть снова разделены, если задан закон декогезии. Это можно сделать в окне настроек нового подузла Adhesion (Адгезия) с помощью инструмента Decohesion (Декогезия). В данный подузел включены три различных закона декогезии: Linear (Линейный), Polynomial (Полиномиальный) и Multilinear (Мультилинейный). Указание закона декогезии позволяет моделировать декогезию в смешанном режиме с независимыми характеристиками для нормальных и тангенциальных направлений. Данная методика известна как зонная модель когезии.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, демонстрирующему моделирование явления декогезии: Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/cohesive_zone_debonding

Пример адгезии. Цилиндр входит в контакт с поверхностью, деформирует ее, прилипает к ней и остается в таком виде при возвращении в исходное положение. Пример адгезии. Цилиндр входит в контакт с поверхностью, деформирует ее, прилипает к ней и остается в таком виде при возвращении в исходное положение.
Пример адгезии. Цилиндр входит в контакт с поверхностью, деформирует ее, прилипает к ней и остается в таком виде при возвращении в исходное положение.

Периодические условия для оболочек

Новое граничное условие Periodic Condition (Периодическое условие) было добавлено в интерфейс Shell (Оболочка). Оно похоже на соответствующее граничное условие из состава интерфейса Solid Mechanics (Механика твердого тела). Данное условие обеспечивает эффективное моделирование периодических структур путем связывания соответствующих граней. Имеется пять различных вариантов для типа периодичности: Continuity (Непрерывность), Antiperiodicity (Антипериодичность), Floquet periodicity (Периодичность Флоке), Cyclic symmetry (Циклическая симметрия) и User defined (Пользовательская настройка).

При использовании периодического условия потребуется расчет только 60-градусного сектора данной модели оболочки. При использовании периодического условия потребуется расчет только 60-градусного сектора данной модели оболочки.
При использовании периодического условия потребуется расчет только 60-градусного сектора данной модели оболочки.

Элементы сирендипова типа

В дополнение к элементам Лагранжа в интерфейсы Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Membrane (Мембрана) были добавлены элементы так называемого сирендипова типа. При работе с моделями с преобладанием гексаэдральных элементов использование элементов сирендипова типа обеспечит значительное улучшение производительности: моделирование будет выполняться быстрее и потребует меньший объем памяти. Подобные элементы используются по умолчанию при добавлении новых интерфейсов физики.

Данная модель решена с использованием структурированной сетки. Временные затраты были сокращены вдвое за счет выбора опции serendipity element (элемент сирендипова типа).

Данная модель решена с использованием структурированной сетки. Временные затраты были сокращены вдвое за счет выбора опции serendipity element (элемент сирендипова типа).

Данная модель решена с использованием структурированной сетки. Временные затраты были сокращены вдвое за счет выбора опции serendipity element (элемент сирендипова типа).

Новые методы ввода данных теплового расширения

Теперь для ввода данных теплового расширения материала существует три разных способа:

  1. Secant coefficient of thermal expansion (Секущий коэффициент теплового расширения). Используемый по умолчанию метод, который в предыдущих версиях был единственным.
  2. Tangent ("thermodynamic") coefficient of thermal expansion (Касательный (термодинамический) коэффициент теплового расширения).
  3. Явное задание зависимости Thermal strain (Тепловая деформация) от температуры.

Выбрав подходящий вам вариант, вы сможете без преобразований использовать различные типы измеренных данных. Новые опции присутствуют в интерфейсах Solid Mechanics (Механика твердого тела), Membrane (Мембрана) и Truss (Ферма).

Опция Secant coefficient of thermal expansion (Секущий коэффициент теплового расширения) используется для вычисления общего изменения деформации при отклонении температуры от заданного опорного значения . Опция Tangent coefficient of thermal expansion (Касательный коэффициент теплового расширения) позволяет получить информацию о чувствительности тепловой деформации к температуре: . Эти два значения совпадают при исходной температуре.

Секущий и касательный коэффициенты теплового расширения золота, комнатная температура при этом используется в качестве опорной температуры, при которой отсутствует деформация. Секущий и касательный коэффициенты теплового расширения золота, комнатная температура при этом используется в качестве опорной температуры, при которой отсутствует деформация.
Секущий и касательный коэффициенты теплового расширения золота, комнатная температура при этом используется в качестве опорной температуры, при которой отсутствует деформация.

Тепловое расширение ограничений

Теперь вы сможете дополнить ограничивающие условия, такие как Fixed Constraint (Фиксированное ограничение) и Prescribed Displacement (Установленное смещение), подузлом Thermal Expansion (Тепловое расширение). Это позволяет снять вызванные ограничениями напряжения, когда температура окружающей конструкции, идеализированной ограничениями, не поддерживается постоянной. Аналогично подузел Thermal Expansion (Тепловое расширение) был добавлен в узлы Rigid Connector (Жесткий соединитель) и Attachment (Соединение), чтобы добавить тепловое расширение к этим объектам, обычно являющимся жесткими.

При использовании данного инструмента вы указываете коэффициент теплового расширения и распределение температуры в немоделируемом пространстве, окружающем конструкцию. Тепловые деформации, вызванные данными факторами, добавляются в модель для получения поля смещения, которое добавляется к ограничению.

Влияние добавления теплового расширения к фиксированному ограничению. Влияние добавления теплового расширения к фиксированному ограничению.
Влияние добавления теплового расширения к фиксированному ограничению.

Система координат оболочки

Локальная система координат интерфейса Shell (Оболочка) была улучшена. После перемещения процесса определения локальной системы координат в подузел Shell Local System (Локальная система оболочки), расположенный в узле Linear Elastic Material (Линейный упругий материал), стало значительно проще использовать различные ориентации материала с сохранением одних и тех же данных.

Также при добавлении интерфейса Shell (Оболочка) в разделе Definitions (Определения) создается узел Shell Local System (Локальная система оболочки). Данная система содержит локальные указания для всех границ, на которых активен и на которые может ссылаться интерфейс Shell (Оболочка), например, при настройке мультифизических связей.

Две различных локальных системы координат: одна — для цилиндрической поверхности, вторая — для плоской. Две различных локальных системы координат: одна — для цилиндрической поверхности, вторая — для плоской.
Две различных локальных системы координат: одна — для цилиндрической поверхности, вторая — для плоской.

Обновления для идеально согласованных слоев

В инструмент Perfectly Matched Layer (Идеально согласованный слой) были добавлены опции, позволяющие настроить характеристики слоя:

  • Опция Enable/disable PMLs (Включить/выключить идеально согласованные слои) в решателе будет полезна при моделировании задач о рассеянии, в которых источником выступает вычисленное поле.
  • Опция пользовательской геометрии используется в случае, если идеально согласованный слой обладает нестандартной геометрической структурой, а также в тех случаях, когда автоматическое определение геометрической структуры идеально согласованного слоя не работает.
  • Для определения масштабирования идеально согласованного слоя вы можете воспользоваться функцией пользовательского растяжения координатной сетки. Благодаря этому возможно точно настроить масштабирование внутри идеально согласованного слоя, например, для очень эффективного поглощения волн в определенных конфигурациях физических явлений.

Новое приложение: Bike Frame Analyzer (Анализ рамы велосипеда)

Надежность рамы велосипеда можно оценить, анализируя напряжение конструкции в случае разных нагрузок. Это приложение использует возможности LiveLink™ for SOLIDWORKS®, чтобы в интерактивном режиме обновлять геометрию и проводить анализ напряжений. С этим приложением вы можете легко тестировать разные конструкции рамы велосипеда, меняя размеры, материалы и нагрузки. Приложение вычисляет распределение напряжения и деформации в раме, отталкиваясь от размеров, материалов и нагрузок, а также связей, приложенных к раме велосипеда.

Чтобы следить за тем, какой проект САПР вы анализируете, при обновлении геометрии из документа SOLIDWORKS® приложение отображает информацию о файле САПР, например дату и время последнего изменения, имя документа, конфигурацию и состояние отображения. Вы можете менять геометрию рамы, например рулевой и подседельный угол, длину верхней трубы, высоту каретки, длину задних перьев, колесную базу и высоту рамы. Вы также можете выбрать материал рамы: алюминий, сталь, титан или пользовательский материал. Можно также указать нагрузки и связи.

Приложение позволяет задать максимальную допустимую концентрацию напряжений и вычисляет эффективные напряжения при данных нагрузках.

Путь к приложению Bike Frame Analyzer (Анализ рамы велосипеда) в Библиотеке приложений:
LiveLink_for_Soldiworks/Applications/bike_frame_analyzer_llsw
Structural_Mechanics Module/Applications/bike_frame_analyzer_llsw

Пользовательский интерфейс приложения Bike Frame Analyzer (Анализ рамы велосипеда). Показано эффективное напряжение в раме с шатунами под углом 180°. Пользовательский интерфейс приложения Bike Frame Analyzer (Анализ рамы велосипеда). Показано эффективное напряжение в раме с шатунами под углом 180°.
Пользовательский интерфейс приложения Bike Frame Analyzer (Анализ рамы велосипеда). Показано эффективное напряжение в раме с шатунами под углом 180°.

ПРИМЕЧАНИЕ. Для запуска этого приложения потребуется LiveLink™ for SOLIDWORKS® и модуль Механика конструкций.


SOLIDWORKS является зарегистрированным товарным знаком Dassault Systèmes SOLIDWORKS Corp. Все прочие товарные знаки являются собственностью их владельцев. Перечень владельцев этих товарных знаков представлен на сайте http://www.comsol.com/tm. Компания COMSOL AB, как и ее дочерние компании и продукты, не связаны с владельцами этих товарных знаков, не рекомендуются, не спонсируются и не поддерживаются ими.