Обновления в модуле Композитные материалы

В версии COMSOL Multiphysics® 5.4 представлен новый модуль Композитные материалы. С помощью этого расширения модуля Механика конструкций и новой технологии Layered Material (Слоистый материал) можно моделировать слоистые материалы и мембраны.

Обзор модуля Композитные материалы

Для работы со слоистыми оболочками предусмотрены две разные формулировки: одна основана на классической теории слоистых материалов, а другая — на более полной теории трехмерных материалов. Первая реализована в виде модели материала в имеющемся интерфейсе Shell (Оболочка), а на основе второй построен новый интерфейс Layered Shell (Слоистая оболочка). Инструменты пользовательского интерфейса позволяют указать изотропные и анизотропные свойства для слоистых материалов, а с помощью специальных средств визуализации можно создать графическое представление слоев.

Этот модуль эффективен для выполнения прочностного анализа композитных материалов и может использоваться в совокупности с модулями Теплопередача и AC/DC для мультифизического анализа композитов. При использовании модуля Композитные материалы совместно с модулем Теплопередача расширяются возможности и функции моделирования теплопередачи и теплового расширения. Подобным образом, можно комбинировать модуль Композитные материалы с модулем AC/DC, чтобы получить доступ к расширенным функциям в интерфейсах Electrostatics (Электростатика) и Electric Currents (Электрические токи).

Определение слоистых мембран

С помощью нового узла Layered Material (Слоистый материал) можно задать композит, для каждого из слоев которого заданы свои свойства, толщина и ориентация главных осей. Слоистые материалы, описанные таким способом, можно комбинировать, создавая новые материалы. Это особенно удобно, если композит повторяется или число его слоев уменьшается. Можно также задать свойства материала для границ раздела между слоями. Для визуализации входных данных можно строить трехмерные и двумерные графики.

Создание слоистого материала и просмотр результирующей модели. Определение структуры слоистого материала (врезка) и график, на котором показано направление главных осей каждого слоя. Определение структуры слоистого материала (врезка) и график, на котором показано направление главных осей каждого слоя.

Интерфейс Layered Shell (Слоистая оболочка)

Интерфейс Layered Shell (Слоистая оболочка) используется для подробного анализа слоистой мембраны. В результате такого анализа можно получить полное трехмерное распределение деформаций и напряжений. Можно, например, вычислить напряжения между слоями и изучить изменение напряжений в каждой слоистой мембране. На отдельных слоях, в том числе на границах раздела между слоями, можно ставить граничные условия. Материалы на отдельных слоях могут быть нелинейными. Этот физический интерфейс подходит для моделирования толстых и умеренно тонких оболочек с ограниченным числом слоев. У каждого слоя может быть разное количество элементов по толщине.

Модели, в которых используется интерфейс Layered Shell (Слоистая оболочка):

График по толщине для сравнения интерфейса Layered Shell (Слоистая оболочка) с точным трехмерным решением.

Напряжения при поперечном сдвиге в трехслойном композитном материале; сравнение результатов, полученных с помощью интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка) и точного трехмерного решения.

Напряжения при поперечном сдвиге в трехслойном композитном материале; сравнение результатов, полученных с помощью интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка) и точного трехмерного решения.

Слоистый линейный упругий материал

В модуле Композитные материалы ранее доступный интерфейс Shell (Оболочка) дополнен новой моделью материала: Layered Linear Elastic Material (Слоистый линейный упругий материал). Эта модель материала подходит для работы с тонкими и умеренно толстыми оболочками. Она может вместить в себя множество слоев без ущерба для производительности. Модель основана на подходе эквивалентного единичного слоя, согласно которому все слои сводятся к эквивалентному материалу.

Модели, в которых используется функция Layered Linear Elastic Material (Слоистый линейный упругий материал):

Модель воздушной турбины, созданной с помощью функции Layered Linear Elastic Material (Слоистый линейный упгругий материал). Третья собственная мода лопасти воздушной турбины с многослойной конструкцией. Третья собственная мода лопасти воздушной турбины с многослойной конструкцией.

Специальные инструменты для оценки результатов

Для оценки результатов для слоистых конструкций требуются некоторые дополнительные инструменты. Благодаря специальному набору данных Layered Material (Слоистый материал) можно вывести полное объемное представление результатов для слоистых оболочек. Можно также создать графики сечения разных типов. Для построения графиков доступны особые средства визуализации изменений по всей толщине конструкции.

Слоистый материал, представленный пятью способами. Разные типы визуализации толстой трехслойной мембраны. Разные типы визуализации толстой трехслойной мембраны.

Мультифизические явления в слоистых конструкциях

Во всех физических интерфейсах для слоистых материалов представление структуры многослойной мембраны общее. Благодаря этому можно легко создавать модели для описания мультифизических явлений в слоях конструкции. Для общего случая теплового расширения доступна готовая мультифизическая между интерфейсами Heat Transfer in Shells (Теплопередача в оболочках) и Layered Shell (Слоистая оболочка). К прочим мультифизическим возможностям относится термоэлектрический эффект — при совмещении с модулем Теплопередача, и Джоулев нагрев — при совмещении с модулями Теплопередача и AC/DC.

Взаимодействие жидкости и конструкции, в котором участвуют композитные материалы, можно моделировать, совместив интерфейс Shell (Оболочка) для слоистых линейных упругих материалов с одним из интерфейсов для работы с потоком текучей среды. При совокупном использовании модулей Composite Materials (Композитные материалы) и Acoustics (Акустика) задействуется специальная мультифизическая связь, с помощью которой можно моделировать взаимодействие жидкости и конструкции в слоистых линейных упругих материалах.

Мультифизическая связь с явлением теплового расширения продемонстрирована в модели Тепловое расширение слоистой оболочки из композитного материала model.

Новые учебные модели

В версии COMSOL Multiphysics® 5.4 добавлено несколько новых учебных моделей.