Menu

Механика конструкций

Прочностной и вибрационный анализ механических конструкций с расширенными мультифизическими возможностями

Модуль «Механика конструкций» является расширением платформы COMSOL Multiphysics® и представляет собой программный пакет на основе МКЭ, предназначенный для анализа механического поведения твёрдых конструкций. Модуль предоставляет инструменты и функциональные возможности для анализа механики твёрдого тела, динамического и вибрационного анализа, моделирования материалов, анализа оболочек, балок, контактов, разрушения и многого другого. Данный модуль используется в различных областях, таких как машиностроение, строительство, геомеханика, биомеханика и микроэлектромеханические устройства.

Модуль «Механика конструкций» содержит встроенные мультифизические взаимосвязи для учёта термических напряжений, взаимодействия жидкости и конструкции, а также пьезоэффекта. Использование модуля «Механика конструкций» совместно с другими модулями программного пакета COMSOL позволяет рассматривать более сложные модели теплопередачи, гидродинамики, акустики и электромагнетизма. Еще больше расширить возможности численного моделирования можно при добавлении инструментов для описания моделей специальных материалов и инструментов для импорта моделей из сторонних CAD-программ.

Связаться с COMSOL
Модель соединения труб, демонстрирующая напряжения в болте с помощью радужной цветовой схемы.

Набор исследований для прочностного и вибрационного анализа конструкций

Для виртуального прогнозирования характеристик конструкции доступно несколько типов анализа. Используя модуль «Механика конструкций», вы сможете ответить на вопросы, связанные с определением уровней напряжений и деформаций, жесткости и податливости, собственных частот, реакции на динамические нагрузки, потери устойчивости и многого другого.

Доступные типы исследований в модуле «Механика конструкций»

  • Стационарное исследование
  • Исследование на собственные частоты
    • Анализ незатухающих колебаний
    • Анализ затухающих колебаний
    • Анализ с учётом предварительных напряжений
  • Исследование во временной области
    • Прямой анализ или модальная суперпозиция
  • Исследование в частотной области
    • Прямой анализ или модальная суперпозиция
    • Анализ с учётом предварительных напряжений
  • Учёт геометрической нелинейности и больших деформаций
  • Учёт механических контактов
  • Исследование потери устойчивости
  • Анализ спектра отклика на ударное воздействие
  • Анализ случайных вибраций
  • Метод связанных подструктур

Общие типы анализа

Одномерный график параметрического исследования с перемещениями по оси y и направлением усилий по оси x.
Параметрический анализ

Рассчитывайте модели с несколькими входными параметрами и сравнивайте результаты.

Крупный план двух моделей кронштейна, демонстрирующих исходную геометрию и окончательную оптимизированную геометрию.
Оптимизация

Оптимизируйте геометрические размеры, форму, топологию и другие величины с помощью модуля «Оптимизация».

Крупный план модели гаечного ключа, на котором продемонстрированы напряжения и сетка.
Двухмерный график, демонстрирующий напряжения в модели тонкой конической консоли.
Крупный план значений перемещений в ферменном мосту.
Крупный план прогибов и напряжений в модели козлового крана.

Конечные элементы

Модуль «Механика конструкций» предоставляет полный набор инструментов для проведения различных типов анализа конструкций. Основанные на методе конечных элементов функциональные возможности позволяют моделировать не только трёхмерные объекты, но также использовать 2D формулировки (плоское напряжение, плоская деформация, обобщённая плоская деформация и осевая симметрия). Соответственно, есть функционал для оболочек и пластин, мембран, балок, труб, ферм, кабелей и переходов между этими различными формулировками.

Для трёхмерных объектов доступны различные опции для настройки формы и порядка элемента. Доступны треугольные, четырёхугольные, тетраэдральные, шестигранные, призматические и пирамидальные элементы. Есть возможность выбирать элементы первого, второго и более высокого порядка, а для мультифизического анализа - элементы смешанного порядка.

Функциональные возможности модуля «Механика конструкций»

Модуль «Механика конструкций» предоставляет специальные возможности для проведения различных видов анализа конструкций и обеспечивает согласованный рабочий процесс построения моделей в COMSOL Multiphysics®.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Solid Mechanics и моделью соединения труб в графическом окне.

Механика твёрдого тела

Существует несколько вариантов для моделирования и анализа механики твёрдого тела: полное трёхмерная модель, двухмерная модель (плоское напряжение, плоская деформация и обобщённая плоская деформация); двухмерная осесимметричная, одномерная (плоское напряжение или плоская деформация в поперечных направлениях); и одномерная осесимметричная модель. Это обеспечивает наиболее общий подход к анализу твёрдых конструкций со встроенной мультифизической связью с большим количеством областей физики. Имеется широкий набор моделей материалов для точного решения задач механики твёрдого тела, а с моделированием на основе уравнений пользователя возможности становятся ещё шире. Можно самостоятельно определять свойства материалов, используя постоянные, пространственные или нелинейные выражения, таблицы подстановки или их сочетания. Основываясь на выражения пользователя, элементы могут быть активированы и деактивированы. Также можно задать модели материалов для поверхностей, внутренних или внешних. Такую возможность можно использовать, например, для моделирования клеевых слоев, прокладок, зон разрушения или облицовок.

Крупный план настроек Solid-Shell Connection и модель кронштейна в графическом окне.

Оболочки и мембраны

Использование оболочек (трёхмерных и двумерных осесимметричных элементов) и пластин (двумерных элементов) может быть очень эффективным при моделировании тонких конструкций. Эти формулировки позволяют учесть поперечную деформацию сдвига, необходимую для моделирования толстостенных оболочек. Можно также задать смещение по нормали к выбранной поверхности, что упрощает процесс моделирования, если необходимо работать с полным трёхмерным представлением геометрии. Результаты анализа элементов оболочки можно получить в полном трёхмерном представлении.

Для чрезвычайно тонких конструкций, таких как тонкие пленки и ткани, требуется формула, не включающая сопротивление изгибу. Их можно моделировать с помощью интерфейса Membrane (Мембрана), в котором элементы напряжения криволинейных плоскостей в 3D или осесимметричном 2D используются для вычисления смещений в плоскости и вне её, включая образование складок. При исследовании конструкции такого типа часто используется возможность моделирования из состояния предварительного напряжения.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Elastic Waves, Time Explicit, а также модель Земли в графическом окне.

Упругие волны

Пользователи могут моделировать распространение упругих волн в изотропных, ортотропных, анизотропных и пьезоэлектрических средах с учётом мультифизических эффектов в системах вибрационного, неразрушающего контроля (в англ. NDT) и механической обратной связи. Области применения включают как акустоэлектронные и микромеханические устройства, так и задачи сейсмофизики.

Интерфейс Solid Mechanics включает полную динамическую формулировку для учёта продольных и поперечных упругих волн. Механические порты могут быть использованы для возбуждения и поглощения распространяющихся мог на торцах волноводов, а также для расчёта матриц рассеяния. Поглощающие граничные условия и идеально-согласованные слои (в англ. PML) позволяют задавать открытые границы в процессе моделирования.

Специальный интерфейс Elastic Waves, Time Explicit рассчитан на моделирование распространения упругих волн во временной области на большие расстояния, значительно превышающие длину волны. Интерфейс основан на DG-FEM технологии высокого порядка. Доступны мультифизические виброакустические и пьезоэлектрические связки.

Крупный план настроек узла Viscoelasticity и модель демпфера в графическом окне.

Модели материалов

В модуле «Механика конструкций» реализованы линейные модели упругих, вязкоупругих и пьезоэлектрических материалов, а при совместном использовании с модулем «Нелинейные материалы» или модулем «Геомеханика» добавляются также нелинейные материальные модели.

В дополнение к этому, существует много возможностей расширить существующие модели материалов или создать свои собственные. Введите выражения, зависящие от напряжений, деформаций, пространственных координат, времени или полей, полученных напрямую из другого физического интерфейса, непосредственно в поле ввода для свойства материала. При анализе в частотной области можно вводить комплекснозначные выражения. Вы можете, к примеру, добавить пользовательские дифференциальные уравнения для учёта вкладов неупругой деформации.

Модели материалов могут учитывать термическое расширение, гигроскопическое расширение, начальные напряжения и деформации, а также несколько видов демпфирования. Свойства материала могут быть изотропными, ортотропными или полностью анизотропными. Можно ввести свою собственную модель материала, предоставив внешние функции, написанные на языке программирования C.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Boundary Load и одномерным графиком в графическом окне.

Нагрузки и ограничения

Модуль «Механика конструкций» предоставляет множество опций для задания различных нагрузок и ограничений, что способствует моделированию с высокой точностью. Есть возможность задавать распределённые нагрузки на доменах, границах и кромках, а также следящие движущиеся нагрузки. Можно указывать общую силу, включая силу тяжести или добавленную массу, а также вращающиеся фреймы с центробежной, кориолисовой и эйлеровой силами.

Для задания ограничений в модели доступны пружины и демпферы, а также заданные перемещения, скорость и ускорение. Периодические граничные условия, cлабоотражающие границы, идеально согласованные слои (PML) и бесконечные элементы помогают уменьшить размер модели для более эффективного, с точки зрения вычислительных ресурсов, моделирования.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Displacement, а также модель стальной рамы в графическом окне.

Динамический и вибрационный анализ

Модуль «Механика конструкций» позволяет проводить как анализ во временной области, так и анализ частотных характеристик различных систем. Анализ частотных характеристик включает исследования на собственные частоты, в т.ч. с учётом демпфирования, и анализ в частотной области. Кроме того, доступны специальные типы исследований для анализа случайной вибрации и спектра отклика. Анализ случайных вибраций (в англ. Random vibration analysis) позволяет вводить данные на основе спектральной плотности мощности (СПМ) как функции от частоты, включая некоррелированные, а также полностью коррелированные нагрузки. Типичный пример — ветровая нагрузка на башню. Анализ спектра отклика (в англ. Response spectrum analysis) используется как эффективный метод определения реакции конструкции на короткие недетерминированные события, такие как землетрясения и подземные толчки. Метод связанных подструктур, который также называют динамическим подмоделированием, позволяет свести линейные компоненты к более эффективным с вычислительной точки зрения моделям пониженного порядка с помощью метода Крейга-Бэмптона. Такие компоненты могут быть использованы в динамическом или стационарном, улучшая время вычислений и использование оперативной памяти.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Cross-Section Data и моделью ферменного моста в графическом окне.

Балки, трубы, фермы и провода

Для моделирования балок предусмотрены специальные типы элементов, которые описываются через параметры поперечного сечения. Доступны формулировки для тонких (теория Эйлера-Бернулли) и толстых балок (теория Тимошенко). С помощью предварительно настроенных взаимосвязей можно комбинировать балки с элементами других типов для изучения армирования сплошных конструкций и оболочек. Доступна библиотека распространённых типов поперечных сечений, а также возможность моделирования произвольных поперечных сечений.

Кроме того, модуль «Механика конструкций» позволяет моделировать тонкие конструкции, выдерживающие только осевые силы (фермы и провода). Эти элементы можно также использовать для моделирования армирования.

Прочностной анализ труб схож с таковым для балок, но с добавлением внутреннего давления, которое обычно вносит значительный вклад в напряжения в трубе. Кроме того, градиент температур обычно наблюдается только через стенку трубы, а не по всему сечению. Нагрузки от внутреннего давления и сил сопротивления могут быть использованы напрямую из результатов анализа потока в трубе и термического анализа с помощью модуля «Течение в трубопроводах».

Крупный план настроек узла Contact, а также модель тонкой дуги в графическом окне.

Контакт и трение

При моделировании механических задач часто возникают ситуации, в которых объекты контактируют друг с другом. Стационарный и динамический анализ могут включать моделирование контактов, а соприкасающиеся объекты могут иметь произвольно большие относительные перемещения. Кроме того, можно учесть трение: может быть смоделировано как прилипание, так и скольжение.

Функционал контактного анализа также включает возможность предусматривать адгезию и декогезию между контактирующими объектами и моделировать уменьшение объёма материала за счёт износа, который возникает когда объекты скользят относительно друг друга.

Крупный план настроек Damage, а также модель балки с надрезом в графическом окне.

Механика разрушений

Представлено несколько различных подходов к моделированию трещин. Трещина может быть бесконечно тонкой и тогда она представлена одной единственной границей или же она может быть представлена отдельными непересекающимися поверхностями в геометрии. Трещина может иметь любое количество ответвлений и соответствующих фронтов трещины.

В 2D и 3D можно вычислить J-интегралы и коэффициенты интенсивности напряжений. Также можно задать нагрузку на границы трещины.

Добавив модуль «Нелинейные материалы» или модуль «Геомеханика», можно моделировать повреждения и трещины в хрупких материалах в соответствии с различными критериями.

Крупный план настроек узла Bolt Thread Contact и модель крышки подшипника в графическом окне.

Специальные инженерные возможности

В модуле «Механика конструкций» можно найти несколько специальных инженерных инструментов, которые могут помочь быстрее создавать реалистичные модели. Среди них различные граничные условия, такие как жёсткие соединители для моделирования жёстких областей и кинематических ограничений, болты с предварительным натяжением, опция линеаризации напряжений для анализа сосудов под давлением и многое другое.

  • Жёсткий соединитель
  • Жёсткая область
  • Автоматическая передача элемента RBE2 при импорте из NASTRAN®
  • Предварительное натяжение болтов
  • Моделирование резьбового контакта болтов
  • Линеаризация напряжения
  • Анализ сварных швов
  • Выражения для запаса прочности
  • Вычисление усилий в поперечном сечении твёрдого тела
  • Случаи нагружения
  • Суперпозиция вариантов нагрузки
  • Вычисление эффективных свойств материала
    • Использование элементарного представительного объёма (REV)

Модули расширения для модуля «Механика конструкций»

Специализированные типы анализа, полностью интегрированные с программной средой COMSOL Multiphysics®.

Модули «Нелинейные материалы» и «Геомеханика» расширяют функциональные возможности модуля «Механика конструкций» более чем сотней различных нелинейных моделей материалов.

Добавляйте модуль «Композитные материалы» для анализа тонких многослойных структур (композитных материалов) таких как армированный волокнами пластик, многослойные пластины и слоистые панели. Подобные слоистые композитные материалы широко применяются при производстве деталей самолётов, космических аппаратов, ветряных турбин, автомобильных деталей и в других областях.

Добавляйте модуль «Усталость материала» для оценки усталостной долговечности конструкций: многоцикловой и малоцикловой, основанной на деформациях или энергии. Доступен функционал для подсчёта циклов методом «дождя», накопления повреждений, многоосной и вибрационной усталости.

Добавляйте модуль «Роторная динамика» для моделирования вращающихся механизмов, в которых асимметрия и вращение могут приводить к неустойчивости и разрушительным резонансам. Создавайте вращающиеся компоненты с дисками, подшипниками и опорами. Анализируйте результаты с помощью диаграмм Кэмпбелла, орбит, каскадных и вихревых графиков.

Крупный план изменения формы и распределения деформаций в мяче для гольфа.
Крупный план напряжений в модели ветряной турбины.
Крупный план максимального повреждения в спице в модели диска колеса.
Крупный план напряжений в модели коленвала двигателя.

Импорт моделей из сторонних CAD-программ

Используйте COMSOL Multiphysics® совместно с любым из представленных модулем интеграции.

Трёхмерная модель трубопроводной арматуры, геометрия которой была импортирована в программное обеспечение COMSOL и упрощена до двухмерной осесимметричной модели.

С помощью модуля «CAD-импорт» можно импортировать в COMSOL Multiphysics® данные для моделирования из стандартных форматов промышленных САПР. Доступны возможности исправления геометрической CAD-модели для построения сетки и анализа, а также доступ к ядру геометрического моделирования Parasolid® для выполнения более сложных операций с твёрдыми телами. В модуле «CAD-импорт и CAD-операции», помимо этих функций, также есть возможность выполнять следующие трехмерные операции CAD: лофтинг (построение оболочки по опорным сечениям), скругление, фаска, срединная поверхность и утолщение.

Имеется ряд модулей интеграции, известных как продукты LiveLink™, с помощью которых можно синхронизировать исходную CAD-модель для использования в программном обеспечении COMSOL®. Можно также обновлять параметры геометрии в САПР и COMSOL Multiphysics® параллельно, а также выполнять параметрический анализ и оптимизацию по нескольким параметрам моделирования.

Мультифизические связи для расширенного анализа механики конструкций

Сочетайте моделирование различных физических процессов в единой программной среде.

Крупный план поля температур в модели статора турбины.

Термические напряжения

Термические напряжения и расширения при заданном или вычисленном поле температур в твёрдых телах и оболочках.

Крупный план мультифизического примера моделирования продавливания алюминия с учётом FSI и термических напряжений.

Взаимодействие жидкости и твёрдого тела (FSI)

Односторонняя или двусторонняя связь между жидкостью и твёрдым телом, включая давление жидкости и силы вязкости.

Крупный план остаточных напряжений в модели прямозубого цилиндрического колеса.

Металлургия1

Напряжения и деформации в материалах, свойства которых зависят от фазового состава, при закалке и других процессах термообработки.

Крупный план модели механизма дифференциальной передачи.

Динамика многотельных систем2

Обширный набор инструментов для моделирования смешанных систем из упругих и жёстких тел.

Визуализация пьезоэлектрического кантилевера, показаны деформации структуры и электрический потенциал в пьезоэлементе.

Пьезоэффект

Пьезоэлектрические устройства, содержащие металлические и диэлектрические компоненты.

Крупный план модели пьезоакустического преобразователя, демонстрирующей акустическое давление.

Виброакустика3

Взаимодействия типа «акустическая среда — твёрдое тело», «акустическая среда — оболочка», пьезоакустика, пороакустика и т.п.

Крупный план модели многоствольной скважины, демонстрирующий величины перемещений.

Пороупругость4

Течение в пористых средах в сочетании с механикой твёрдого тела для моделирования пороупругих эффектов.

Крупный план модели датчика давления, демонстрирующий величину перемещений.

Гигроскопическое расширение

Поглощение влаги и гигроскопическое расширение полимеров и аккумуляторов.

Крупный план модели микрозеркала, демонстрирующий деформацию и объём сетки.

MEMS5

Пьезорезистивность, электромеханические деформации вследствие электростатических сил и электрострикции.

Крупный план модели магнитострикционного преобразователя, на котором продемонстрированы напряжения, перемещения и магнитное поле.

Электромагнитные материалы6

Учёт эффектов магнитострикции, электрострикции и сегнетоупругости (нелинейного пьезоэффекта).

Крупный план модели нагревательного контура, демонстрирующий напряжения и деформации.

Электромеханика6

Деформации в электротехнических устройствах и электродвигателях, возникающие вследствие электромагнитных сил.

Крупный план модели резонаторного фильтра, на котором продемонстрированы температура и термические напряжения.

СВЧ и микроволновые компоненты7

Механические деформации и напряжения могут влиять на работу СВЧ и микроволновых компонентов и устройств, таких как фильтры.

Модель фотонного волновода с учётом оптомеханических эффектов.

Оптомеханика8

Двойное лучепреломление в волноводах под действием механических напряжений.

Траектории лучей в объективе Петцваля.

STOP-анализ9

Трассировка оптических лучей при наличии градиента температуры и механических деформаций.

  1. Дополнительно требуется модуль "Металлургия"
  2. Дополнительно требуется модуль "Динамика многотельных систем"
  3. Дополнительно требуется модуль "Акустика"
  4. Дополнительно требуется модуль "Течения в пористых средах" или модуль "Течения в грунтах"
  5. Дополнительно требуется модуль "MEMS"
  6. Дополнительно требуется модуль "AC/DC"
  7. Дополнительно требуется модуль "Радиочастоты"
  8. Дополнительно требуется модуль "Волновая оптика"
  9. Дополнительно требуется модуль "Геометрическая оптика"

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Связаться с COMSOL