Обновление модуля Механика конструкций

Пользователи модуля Механика конструкций версии 5.3 COMSOL Multiphysics® могут использовать метод моделирования, называемый «линеаризация напряжения», шаг исследования затяжки болтового соединения, а также граничное условие подавления жесткого движения. Ниже приводятся все новые функции модуля Механика конструкций.

Расчет линеаризации напряжений

Линеаризация напряжений — метод постобработки, при котором в моделируемом теле выделяется тонкий срез, и поле напряжений в нем представляется как сумма постоянного касательного напряжения и линейно меняющегося напряжения изгиба. Это — стандартный метод расчета емкостей под давлением, описанный в стандарте ASME ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section III, Division 1, Subsection NB (стандарт ASME для котлов и емкостей под давлением, Глава III, Раздел 1, Подраздел NB). Другие области применения включают расчет арматуры в бетонных конструкциях и некоторые виды расчета сварных швов.

Новый узел постобработки Stress Linearization (Линеаризация напряжений) дает возможность выбирать участки, на которых производится расчет по методу линеаризации напряжений. Программа рассчитывает касательные, изгибающие и пиковые напряжения, а также рассчитывает интенсивности напряжений по каждой линии классификации.

Пример визуального представления линеаризации напряжения в программном пакете COMSOL Multiphysics версии 5.3 Три классификационные линии напряжения после вычисления методом линеаризации напряжения. Эти линии (представленные трубками) на поверхности моделируемого фланца показывают максимальную интенсивность напряжений со значениями, представленными на цветовой шкале. График скалярного поля, изображающий напряжение по Мизесу в трехмерном объекте. Три классификационные линии напряжения после вычисления методом линеаризации напряжения. Эти линии (представленные трубками) на поверхности моделируемого фланца показывают максимальную интенсивность напряжений со значениями, представленными на цветовой шкале. График скалярного поля, изображающий напряжение по Мизесу в трехмерном объекте.


Путь к файлам Библиотеки приложений, использующимся в примере пост-обработки по методу Stress Linearization (Линеаризация напряжений):
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

Специальный шаг решения: расчет натяжения болтовых соединений

Введен новый тип исследования, который предназначен для первого этапа расчета моделей, содержащих болтовые соединения конструкций. В шаге исследования Bolt Pre-Tension (Предварительное натяжение болтов) напрямую рассчитывается деформация болтовых соединений при сборке и затяжке, которая не учитывается в других типах исследований. С появлением этого шага исследования больше не требуется вручную устанавливать статус активации для степеней свободы, связанных с расчетом болтовых соединений.

Пример расчета болтового соединения в программном пакете COMSOL Multiphysics.

Конструкция, состоящая из затянутых болтов и кронштейна. Первый узел Study (Исследование) в дереве модели содержит новый тип исследования Bolt Pre-Tension (Предварительное натяжение болта). Второй узел позволяет получить решение стационарной задачи.

Конструкция, состоящая из затянутых болтов и кронштейна. Первый узел Study (Исследование) в дереве модели содержит новый тип исследования Bolt Pre-Tension (Предварительное натяжение болта). Второй узел позволяет получить решение стационарной задачи.

Путь к примеру расчета Bolt Pre-Tension (Предварительное натяжение болта) в Библиотеке приложений:
Structural_Mechanics_Module/Tutorials/bracket_contact

Автоматическое обнаружение и обработка условий моделирования болтов, через которые проходят плоскости симметрии

Теперь затянутые болты, через которые проходит плоскость симметрии, обнаруживаются автоматически. Сила предварительного натяжения и расчетные нагрузки на рассеченном плоскостями симметрии болте пересчитываются для всего болта, значительно упрощая процесс моделирования.

График напряжений в затянутом болте, построенный с помощью инструментов модуля Механика конструкций. График напряжений в затянутом болте, рассеченном плоскостью симметрии. Программа видит и рассматривает рассеченный болт как целый. Это позволяет не задавать отдельно болты, рассеченные плоскостью симметрии. Для всех болтов в модели могут быть заданы одинаковые условия. График напряжений в затянутом болте, рассеченном плоскостью симметрии. Программа видит и рассматривает рассеченный болт как целый. Это позволяет не задавать отдельно болты, рассеченные плоскостью симметрии. Для всех болтов в модели могут быть заданы одинаковые условия.

Путь к файлу с примером автоматического обнаружения болтов в плоскостях симметрии в Библиотеке приложений :
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

Автоматическое подавление жесткого движения

В случаях, когда нагрузки полностью уравновешивают друг друга, точки приложения требуемых ограничений не имеют значения. Модели с самоуравновешивающимися нагрузками могут быть проанализированы при соблюдении следующих ограничений: невозможно перемещение конструкции как целого и не вводятся силы реакции опоры. Теперь для этих типов моделирования можно использовать новое условие Rigid Motion Suppression (Подавление жесткого движения). Эта опция автоматически применяет набор подходящих ограничений, основанных на геометрии модели и физических интерфейсах.

Условие Rigid Motion Suppression (Подавление жесткого движения) доступно для следующих физических интерфейсов:

  • Solid Mechanics (Механика твердого тела) для трехмерных, двухмерных, двухмерных осесимметричных задач
  • Shell (Оболочка) для трехмерных задач
  • Plate (Плита) для двухмерных задач
  • Membrane (Мембрана) для трехмерных и двухмерных задач
  • Beam (Балка) для трехмерных и двухмерных задач
  • Truss (Ферма) для трехмерных и двухмерных задач
  • Multibody Dynamics (Динамика многотельных систем) для трехмерных и двухмерных задач
Модель нагревательного элемента в COMSOL с использованием условия Rigid Motion Suppression (Подавление жесткого движения).

В этом примере нагревательный контур деформируется из-за теплового расширения. Применение условия Rigid Motion Suppression (Подавление жесткого движения) обеспечивает достаточный набор ограничений для правильного решения модели. График показывает напряжение по Мизесу.

В этом примере нагревательный контур деформируется из-за теплового расширения. Применение условия Rigid Motion Suppression (Подавление жесткого движения) обеспечивает достаточный набор ограничений для правильного решения модели. График показывает напряжение по Мизесу.

Путь к файлам с примером подавления жесткого движения в Библиотеке приложений:
Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/heating_circuit

Расчет коэффициентов запаса прочности

Новый параметр Safety (Безопасность) для узлов Linear Elastic Material (Линейно-упругий материал) и Nonlinear Elastic Material (Нелинейно-упругий материал) позволяет исследовать применимость материалов в конструкциях, в частности, коэффициенты запаса прочности. Коэффициент запаса прочности может быть рассчитан с учетом множества различных изотропных, ортотропных или анизотропных критериев отказа, а так же выражений, заданных пользователем. Подключение узла Safety (Безопасность) позволяет получить доступ к переменным постобработки и произвести оценку режимов разрушения, запасов прочности, а также индексов повреждения и отказа.

Линейный анализ устойчивости в интерфейсе Beam (Балка)

Теперь вы можете выполнить линеаризованный анализ устойчивости в интерфейсе Beam (Балка), что облегчает расчет критических нагрузок при анализе каркасных конструкций на сжатие. Кроме того, данное исследование и тип анализа теперь можно использовать и в моделях, в которых сочетаются несколько различных интерфейсов механики конструкций. Это связано с тем, что в других физических интерфейсах, таких как Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Shell (Оболочка), уже доступен данный тип анализа.

Линейный анализ устойчивости в программном пакете COMSOL Multiphysics. Форма изгиба пространственной рамки, на которую действуют вертикальные нагрузки. Форма изгиба пространственной рамки, на которую действуют вертикальные нагрузки.

Путь к файлам с примером анализа устойчивости в интерфейсе Beam (Балка) в Библиотеке приложений:**
Structural_Mechanics_Module/Verification_Examples/space_frame_instability

Новый набор данных для вывода результатов расчетов элементов оболочек

Для экономии вычислительных ресурсов многие тонкие структуры можно анализировать с использованием элементов-оболочек и граничных сеток, а не трехмерных сеток. Однако, если структура на самом деле является трехмерной, а на этапе пост-обработки необходимо использовать оболочки с разными результатами для верхней и нижней поверхности, визуализация может оказаться сложной. Задача становится еще сложнее, если требуется корректно визуализировать их совместно с другими трехмерными частями модели, расчет которых выполнялся на трехмерных сетках.

В новой версии программного пакета COMSOL Multiphysics® возможно представление результатов анализа элемента оболочки на двух параллельных поверхностях и более информативное их представление в трехмерной визуализации. По умолчанию поверхности разнесены на расстояние, равное толщине элементов оболочки. Тем не менее, для улучшения визуализации очень тонких объектов это расстояние можно настраивать вручную. Все это достигается с помощью нового набора данных Shell (Оболочка) в узле Results (Результаты).

Слева: Геометрическая модель кронштейна. Справа: График в программном пакете COMSOL для кронштейна с напряжениями по обе стороны оболочек.

Анализ напряжений в кронштейне, при котором определенные части геометрической модели анализируются с помощью интерфейса Shell (Оболочка), а для других частей используется интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела). Когда для анализа элементов этой геометрической модели используется интерфейс Shell (Оболочка), все графические объекты по умолчанию представляют оболочки как две параллельные поверхности, разнесенные на расстояние, равное толщине оболочки. График геометрической модели (слева) по умолчанию показывает части оболочки в виде параллельных поверхностей, верхняя из которых окрашена в сине-зеленый цвет, тогда как трехмерные части геометрии скрыты. График справа показывает напряжения на обеих сторонах оболочек с помощью набора данных Shell (Оболочка) (результаты для частей геометрической модели, смоделированных твердотельными элементами, не показаны).

Анализ напряжений в кронштейне, при котором определенные части геометрической модели анализируются с помощью интерфейса Shell (Оболочка), а для других частей используется интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела). Когда для анализа элементов этой геометрической модели используется интерфейс Shell (Оболочка), все графические объекты по умолчанию представляют оболочки как две параллельные поверхности, разнесенные на расстояние, равное толщине оболочки. График геометрической модели (слева) по умолчанию показывает части оболочки в виде параллельных поверхностей, верхняя из которых окрашена в сине-зеленый цвет, тогда как трехмерные части геометрии скрыты. График справа показывает напряжения на обеих сторонах оболочек с помощью набора данных Shell (Оболочка) (результаты для частей геометрической модели, смоделированных твердотельными элементами, не показаны).
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).

Мультифизика: новые средства сопряжения различных интерфейсов механики конструкций между собой

Взаимодействие различных интерфейсов механики конструкций стало значительно проще благодаря добавлению трех новых интерфейсов мультифизической связи: Solid-Shell Connection (Соединение твердое тело — оболочка), Shell-Beam Connection (Соединение оболочка — балка) и Solid-Beam Connection_ (Соединение твердое тело — балка) В связи с этим были удалены некоторые устаревшие подузлы, которые было можно добавить в узле Solid Mechanics (Механика твердого тела): Beam Connection (соединение Балки), Shell Connection (соединение Оболочки) и Solid Connection (соединение Твердого тела). Соединения Solid-Shell Connection (Соединение твердое тело — оболочка), Shell-Beam Connection (Соединение оболочка — балка) и Solid-Beam Connection_ (Соединение твердое тело — балка) подходят для соединения областей интерфейсов Solid Mechanics (Механика твердого тела) или Multibody Dynamics (Динамика многотельных систем).

Три снимка экрана, на которых приведены различные окна Connection Settings (Настройки соединения) в модуле Механика конструкций.

Настройки мультифизических интерфейсов (слева направо) Solid-Shell Connection (Соединение твердое тело — оболочка), Shell-Beam Connection (Соединение оболочка — балка) и Solid-Beam Connection_ (Соединение твердое тело — балка).

Настройки мультифизических интерфейсов (слева направо) Solid-Shell Connection (Соединение твердое тело — оболочка), Shell-Beam Connection (Соединение оболочка — балка) и Solid-Beam Connection_ (Соединение твердое тело — балка).

Упругие слои, описываемые характеристиками материала

Характеристики упругого основания или тонкого упругого слоя теперь можно задавать с помощью таких свойств материала, как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, одновременно с заданием толщины слоя. Это, к примеру, упрощает моделирование клеевых слоев из материалов с известными свойствами. При заданных свойствах материала и толщине будут рассчитаны деформации упругого слоя.

Анализ мод колебаний в механике твердого тела

К интерфейсам Solid Mechanics (Механика твердого тела) в двухмерном представлении был добавлен новый тип анализа колебательных мод. Анализ колебательных мод используется для исследования форм колебаний и волновых чисел для волн, распространяющихся в направлении по нормали к плоскости. Он может использоваться в общем анализе взаимодействия конструкции с акустическим полем и в неразрушающем контроле поперечных сечений. В интерфейсе Solid Mechanics (Механика твердого тела) с двухмерной осевой симметрией добавлена новая опция Circumferential mode extension (Радиальные колебания). Интерфейс можно использовать для анализа частот собственных колебаний и вычисления форм радиальных колебаний и их волновых чисел.

Примечание: Для модели в этом примере также требуется модуль Акустика.

Пример анализа мод в программном пакете COMSOL Multiphysics версии 5.3 Моды распространения волн в камере глушителя с тонкими упругими стенками. Показаны акустическое давление и структурные деформации. Моды распространения волн в камере глушителя с тонкими упругими стенками. Показаны акустическое давление и структурные деформации.

Путь к примеру нового типа исследования анализа колебаний в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Новый подход к расчету неупругих деформаций при геометрически нелинейном анализе

Для случаев геометрической нелинейности был реализован новый подход и более строгий способ разделения на упругие и неупругие деформации. В предыдущих версиях программного пакета COMSOL® использовалось аддитивное разложение, за исключением анализа пластичности с большими деформациями, в котором использовалась мультипликативное разложение.

Мультипликативное разложение теперь доступно для:

  • Теплового расширения
  • Гигроскопичного расширения
  • Начальной деформации
  • Внешней деформации
  • Вязкопластичности
  • Ползучести

Мультипликативное разложение тензора деформаций теперь применяется по умолчанию для всех неупругих деформаций в исследованиях, где присутствует геометрическая нелинейность. Главным преимуществом является возможность учета вклада неупругих напряжений в материале, обусловленных несколькими факторами. Более того, повышается точность линеаризации, поскольку теперь можно более корректно рассчитать сдвиг собственных частот, вызванный тепловым расширением. Если вы хотите переключиться на подход, реализованный в предыдущей версии пакета COMSOL Multiphysics®, то в окне Settings (Настройки) для соответствующих моделей материалов можно установить новый флажок Additive strain decomposition (Аддитивное разложение тензора деформаций).


Функции подузла External Strain (Внешняя деформация) в узлах Linear Elastic Material (Линейно-упругий материал) и Nonlinear Elastic Material (Нелинейно-упругий материал) был расширены за счет нескольких новых параметров. Эти параметры позволяют представлять неупругие деформации в нескольких формах. Вы также можете получать данные о неупругих деформациях из других физических интерфейсов. Кроме того, к интерфейсу Hyperelastic Material (Гиперупругий материал) добавлен подузел External Strain (Внешняя деформация) со сходными свойствами.

Жесткая область в интерфейсах Shell (Оболочка) и Beam (Балка)

Модель материалов Rigid Domain (Жесткая область) доступна в интерфейсах Shell (Оболочка) и Beam (Балка). Такой метод эффективен для моделирования деталей, жесткость которых значительно выше окружающих их частей, поскольку для такого метода требуется знать только степени свободы жесткого тела для всего набора границ узла Shell (Оболочка) или ребер узла Beam (Балка). Как и в соответствующей модели материалов в интерфейсах Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Multibody Dynamics (Динамика многотельных структур), можно добавлять нагрузки, пружины и инерцию в произвольных точках жесткого тела.

Жесткий соединительный элемент в интерфейсе Beam (Балка)

Узел Rigid Connector (Жесткое соединение) теперь доступен для использования в интерфейсе Beam (Балка). Можно выбрать группу узлов для формирования жесткой области, которая будет использоваться, например, для предотвращения ошибок при оценке гибкости в соединениях балки. Эту группа узлов можно также использовать, чтобы добавить нецентровые нагрузки, пружины или дополнительные слагаемые инерции.

Граничные условия пружины для жесткой области и жесткого соединительного элемента

Во всех физических интерфейсах опции Rigid Connector (Жесткое соединение) и Rigid Domain (Жесткая область) дополнили граничным условием Spring Foundation (Упругое основание). У него следующие свойства:

  • Пружину можно присоединять в произвольном месте
  • Доступны пружины растяжения-сжатия и поворотные пружины
  • Пружине можно присваивать коэффициент затухания
  • Пружина может действовать в дополнение к вязкой диссипации как в случае растяжения-сжатия, так и в случае поворота.

Энергетические переменные для моделирования контакта

При моделировании контакта доступны новые переменные, содержащие значения энергии. Теперь можно рассчитать энергию, рассеянную при трении, а также величину энергии упругости, сохраняемую в штрафных коэффициентах контакта. Это полезно для проверки закона сохранения энергии, а также апостериорных проверок выбранных штрафных коэффициентов.

График преобразования энергии для катящегося и скользящего цилиндра в программном пакете COMSOL Multiphysics. Закон преобразования энергии для цилиндра, катящегося и скользящего внутри канала под действием силы тяжести. Закон преобразования энергии для цилиндра, катящегося и скользящего внутри канала под действием силы тяжести.

Путь к примеру, который содержит новые переменные для величин количества энергии при моделировании контакта, в Библиотеке приложений:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

Анализ механических контактов в частотной области

Можно исследовать частотную характеристику конструкции, в которой состояние контактов вычислено в предыдущем исследовании. Например можно выполнить анализ конструкций с болтами в частотной области, а также исследовать влияние состояний контактов на динамические свойства.

Гармоническое возмущение для заданных скорости и ускорения

В интерфейсах Shell (Обочка), Plate (Плита) и Beam (Балка) можно задать значения гармонического возмущения для узлов Prescribed Velocity (Заданная скорость) и Prescribed Acceleration (Заданное ускорение).

Более удобное использование физических символов

Теперь вы можете точнее настраивать отображение физических символов при отображении геометрии в графическом окне. Отображение физических символов можно включать или отключать как в соответствующем окне Settings (Настройки) физического интерфейса, так и в настройках отдельных функций и узлов физического интерфейса.

Сверху: На изображении показана опция Physics Symbols (Физические символы) модуля Механика твердого тела. Снизу: на изображении показана опция Physics Symbols (Физические символы) функции Point Load (Точечная нагрузка).

Переключение между отображением и скрытием физических символов в графическом окне. Можно выбрать Enable physics symbols (Использовать физические символы) в окне настроек (Settings) главного узла, например, Solid Mechanics (Механика твердого тела), а также в окне настроек отдельной опции, например, Point Load (Точечная нагрузка).

Переключение между отображением и скрытием физических символов в графическом окне. Можно выбрать Enable physics symbols (Использовать физические символы) в окне настроек (Settings) главного узла, например, Solid Mechanics (Механика твердого тела), а также в окне настроек отдельной опции, например, Point Load (Точечная нагрузка).

Улучшения функций использования внешних материальных моделей

Модели материалов, созданные с помощью пользовательских подпрограмм, стали мощнее и удобнее в работе:

  • Можно учесть вклад неупругих деформаций для нелинейных упругих и гиперупругих материалов
  • Были созданы два новых интерфейса к C-коду, которые принимают еще несколько величин в качестве входных параметров, включая градиенты деформации
  • Можно использовать серендиповы функции формы
  • Добавлена модель малых деформаций
  • Начать можно со специального вызова пользовательской функции для ее инициализации
  • Пользователь может выполнить вызов пользовательской функции для очистки (например, при закрытии файлов)
  • Можно назначать индивидуальные имена переменным состояния
  • Значение времени задается как входной аргумент

Новая учебная модель: Нестационарный контактное взаимодействие при качении

Пример Transient Rolling Contact (Нестационарный контактное взаимодействие при качении) показывает принципиальное решение нестационарной задачи о механическом контакте при переходе от трения скольжения к трению качения. Мягкая полая трубка, на которую действует сила тяжести, начинает свободное движение в верхней точке полутрубы. Ее движение переходит от скольжения к качению в зависимости от положения трубки в полутрубе и ее скорости. На форму поперечного сечения трубки влияют контактные и инерционные силы. Сохранение энергетического баланса подтверждает точность решения.

Учебная модель нестационарного контакта при качении в программном пакете COMSOL Multiphysics. Мягкая труба скатывается с верхней точки жесткого основания: на ее движение и форму поперечного сечения влияют гравитационные и контактные силы. Показаны напряжения в трубе в определенный момент времени, а также траектория точки на трубе, переходящей от скольжения к качению. Мягкая труба скатывается с верхней точки жесткого основания: на ее движение и форму поперечного сечения влияют гравитационные и контактные силы. Показаны напряжения в трубе в определенный момент времени, а также траектория точки на трубе, переходящей от скольжения к качению.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

Новая учебная модель: Noise Radiation by a Compound Gear Train (Шум, генерируемый составной зубчатой передачей)

Анализ уровней шума динамических систем позволяет инженерам-конструкторам лучше понимать поведение движущихся механизмов в начале процесса разработки. Например, рассмотрим коробку передач, в которой изменение жесткости зубчатой рейки вызывает вибрации. Эти вибрации передаются на корпус коробки передач через валы и соединения. Вибрирующий корпус передает энергию окружающей жидкости, излучая акустические волны.

Учебная модель демонстрирует шумовое излучение от корпуса зубчатой передачи. Сначала выполняется анализ динамики многотельных структур во временной области для расчета вибраций корпуса при определенной скорости вращения вала. Затем выполняется акустический анализ на выбранной частоте для расчета уровня давления звука в ближней, дальней и внешней зоне с использованием нормального ускорения в качестве характеристики источника шума.

Примечание: Для этой модели также требуются модуль Динамика многотельных систем и модуль Акустика.

 

Нормальное ускорение, создаваемое на внешнем корпусе движущейся зубчатой передачи. В этой модели также рассчитывается давление излучаемых акустических волн.


Путь к файлам в Библиотеке приложений:
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