Обновления в модуле Механика конструкций

Пользователям модуля Механика конструкций пакета COMSOL Multiphysics® версия 5.4 предлагается новая функциональность для анализа спектра откликов, методы гомогенизации свойств материала с использованием репрезентативных элементов объема, а также методы активации материала. Ознакомиться с этими и другими функциями механики конструкций можно ниже.

Анализ спектра откликов

Добавлена функциональность для анализа спектра откликов и оценки пикового отклика на краткосрочные и непредсказуемые динамические события. Поддерживаются несколько методов модальной комбинации, такие как SRSS (квадратный корень из суммы квадратов), CQC (по Армену Кюрегяну), абсолютная сумма, десять процентов, группировка и двойная сумма (по Эмилио Розенблюту). Доступны четыре метода пространственной комбинации: SRSS, 100-40-40, CQC3 и SRSS3. Можно разделить периодические и жесткие моды с использованием методов Гупты и Линдли — Яу, а также добавить статическую поправку к массе, не представленную собственными модами. Эта функциональность доступна в Мастере создания моделей с помощью предустановленного типа исследования, называемого Response Spectrum (Спектр откликов), который добавляет ряд функций в дерево моделей для настройки анализа.

Две новые модели используют эти функции:

Анализ спектра откликов структуры при землетрясении.

Максимальные смещения в каркасе во время землетрясения (слева). Спектры откликов конструкции по горизонтали и вертикали (справа).

Максимальные смещения в каркасе во время землетрясения (слева). Спектры откликов конструкции по горизонтали и вертикали (справа).

Репрезентативные объемные элементы (RVE) для гомогенизации периодических материалов

Для многих типов неоднородных материалов можно вычислить эффективные материальные данные, изучая наименьшую повторяющуюся структуру с использованием периодических граничных условий. Такую ячейку часто называют репрезентативным элементом объема (RVE). Новая функция Cell Periodicity (Периодичность ячейки) автоматизирует настройку граничных условий и нагрузок для такой ячейки, и с ее помощью можно вычислять данные анизотропной эластичности и коэффициенты теплового расширения для макроскопического анализа. Познакомиться с данной функциональностью можно в модели Micromechanical Model of a Composite (Микромеханическая модель композитного материала).

Демонстрация опции Periodicity (Периодичность) в версии 5.4 COMSOL Multiphysics.

Шесть основных мод деформации элементарной ячейки, представляющей отдельное волокно в матрице; моды окрашены в цвета в зависимости от величины эффективного напряжения.

Шесть основных мод деформации элементарной ячейки, представляющей отдельное волокно в матрице; моды окрашены в цвета в зависимости от величины эффективного напряжения.

Интерфейс Shell (Оболочка) для осесимметричного анализа

Осесимметричные оболочки встречаются часто в технических задачах. Интерфейс Shell (Оболочка) теперь работает в моделях с двухмерной осевой симметрией, что делает анализ таких структур более эффективным. Это особенно важно при изучении задач мультифизического моделирования, таких как взаимодействие акустических полей и механических конструкций.

Познакомиться с этой функцией можно в следующих моделях:

Модель осесимметричной оболочки. Первая собственная мода свободной цилиндрической оболочки, показанная как график вращения._ Первая собственная мода свободной цилиндрической оболочки, показанная как график вращения._

Новые взаимосвязи для взаимодействия текучей среды и конструкции (FSI)

Для обеспечения взаимодействия с оболочками и мембранами были расширены взаимосвязи для взаимодействия текучей среды и конструкции (FSI). В то же время мультифизическая связь Fluid-Structure Interaction (Взаимодействие текучей среды и конструкции) была переработана так, что одна и та же связь используется как для ситуаций, где важна деформация текучей области, так и тогда, когда деформацией можно пренебречь. Добавлена мультифизическая связь для описания взаимодействия текучей среды и конструкции в сборках, где граница между конструкцией и текучей средой не должна быть общей границей и не покрывается единой сеткой. Эта функциональность имеется в модуле расширения Динамика многотельных систем, в части, которая описывает взаимодействие текучей среды и конструкции и включает гибкие и твердые тела. Подробности можно узнать на странице Динамика многотельных систем.

Познакомиться с данной функциональностью можно в следующих моделях:

Модель взаимодействия потока жидкости и твердой конструкции для обратного шарикового клапана.

Поток, проходящий через обратный шариковый клапан; линии тока окрашены в цвета в зависимости от величины давления.

Поток, проходящий через обратный шариковый клапан; линии тока окрашены в цвета в зависимости от величины давления.

Активация материала для трехмерной печати

Во многих производственных процессах материал добавляется последовательно. В большинстве случаев следует добавлять материал в ненапряженном состоянии. С помощью новой функции Activation (Активация), которая выступает как Attribute (Свойство) для узла Linear Elastic Material (Линейный упругий материал), можно добавлять и удалять материалы на основе пользовательского критерия. Этот критерий может быть произвольным выражением, которое, например, зависит от времени, значений параметров или температуры. Познакомиться с данной функциональностью можно в модели Layered Plate (Слоистая пластина).

Условие качения для случая аналитической нормальной ориентации

В граничном условии Roller теперь можно указать аналитическую поверхность, по которой скользит структура. С помощью этой функциональности можно также использовать условие качения для конечных перемещений и поворотов. Новую функциональность можно использовать в ситуациях, когда векторы нормали к граничной поверхности могут иметь не совсем правильную ориентацию, например, при использовании импортированных сеток.

Пример использования граничного условия Roller.

Условие качения, описывающее поверхность цилиндрической формы, используется на центральном отрезке стержня. Стержень может свободно вращаться вокруг своей оси и менять ее положение.

Условие качения, описывающее поверхность цилиндрической формы, используется на центральном отрезке стержня. Стержень может свободно вращаться вокруг своей оси и менять ее положение.

Независящие от реакции условия симметрии

Условия симметрии в интерфейсах механики конструкций были расширены для учета случаев, когда плоскость симметрии разрешено переносить в направлении ее нормали, а не оставлять в постоянном положении. Условия, независящие от реакции, в основном используются в усеченных структурах, которые не имеют чистой силы реакции. В дополнение к полной свободе переноса плоскость симметрии может также иметь заданное смещение или заданную силу реакции. Познакомиться с данной функциональностью можно в модели Surface Resistor (Резистор с поверхностным монтажом).

Модель печатной платы со скользящей плоскостью симметрии.

Показана печатная плата в разрезе. Самый правый разрез может расширяться в зависимости от температуры, при этом оставаясь плоским.

Показана печатная плата в разрезе. Самый правый разрез может расширяться в зависимости от температуры, при этом оставаясь плоским.

Новые типы исследования модальной суперпозиции

Добавлены две новые предварительно заданные последовательности исследований для модальной суперпозиции: Time Dependent, Prestressed, Modal (Временная область, предварительное напряжение, анализ мод) и Frequency Domain, Prestressed, Modal (Частотная область, предварительное напряжение, анализ мод). В обоих случаях создаются три шага исследования. Первый — стационарный этап, на котором определяется состояние предварительного напряжения, используемое для последующего вычисления собственной частоты. Используя результаты этих исследований, вы можете легче анализировать предварительно напряженные структуры с помощью эффективных методов модальной суперпозиции. Соответственно, некоторые из предыдущих типов исследований для динамического анализа были переименованы.

График для исследования модальной суперпозиции.

Зависимость амплитуды смещения и фазы от нагрузочной частоты с предварительным напряжением и без него.

Зависимость амплитуды смещения и фазы от нагрузочной частоты с предварительным напряжением и без него.

Модель вязкоупругости Бюргерса

Модель Бюргерса была добавлена в список моделей материалов вязкоупругости. Это модель состояния, описывающая материалы, похожие на текучие материалы тем, что при приложении напряжения они не сохраняют долговременную стабильность. Модель Бюргерса может, например, использоваться для описания грунтов и биологических материалов.

Демонстрация модели Бюргерса.

Схематическое представление модели вязкоупругости Бюргерса.

Схематическое представление модели вязкоупругости Бюргерса.

Жесткое соединение для ребер и точек

Жесткие соединители важны для моделирования механических сборок. Выборка в Rigid Connector (Жесткое соединение) теперь может содержать границы, ребра и точки. Также можно добавить жесткое соединение непосредственно на уровне ребер и точек. Например, точки соединения полезны, к примеру, для болтовых и клепаных соединений.

Формулировка Flexible (Гибкая) для функции Rigid Connector (Жесткий соединитель)

Теперь имеются две формулировки функции Rigid Connector (Жесткое соединение): Rigid (Жесткая) и Flexible (Гибкая). В формулировке по умолчанию Rigid (Жесткая) все выбранные границы, ребра и точки ведут себя так, как если бы они были связаны общим жестким телом. В некоторых случаях это приводит к появлению нежелательного отверждения или нереалистичных локальных напряжений. В таком случае можно перейти к формулировке Flexible (Гибкая), где ограничение применяется только в усредненном смысле. Гибкая формулировка работает только для жесткого соединителя с выборкой только из границ, но не для выборок, содержащих ребра или точки.

Вспомогательные функции для использования внешних материалов

При задании пользовательских материальных уравнений с использованием функциональности внешних материалов некоторые фрагменты кода используются повторно. Это часто бывают различные тензорные операции, расчеты главных значений и направлений, а также обращение матриц. Новая библиотека с более чем 20 вспомогательными функциями включает многие такие общие операции и значительно сокращает время, затрачиваемое на написание кода для моделей материалов.

Новые учебные модели

В пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 предлагается несколько новых учебных моделей.