Семейство продуктов COMSOL®

Программное обеспечение для расчета конструкций методом конечных элементов

Модуль Механика конструкций является расширением платформы COMSOL Multiphysics®, которое содержит инструменты и функции моделирования, предназначенные для анализа механических процессов в твердых конструкциях. Данный модуль используется в различных областях, к которым относится машиностроение, строительство, геомеханика, биомеханика и микроэлектромеханические устройства. С помощью модуля Механика конструкций можно получить ответы на вопросы, касающиеся, например, уровней напряжения и деформации, жесткости и податливости, собственных колебаний, отклика на динамические нагрузки и неустойчивости конструкции.

При использовании модуля Механика конструкций с другими модулями программного пакета COMSOL® можно дополнительно моделировать теплопередачу, явления электромагнетизма и гидродинамику в единой среде.

В модуле Механика конструкций можно выполнять следующие типы анализа:

  • Стационарный анализ
  • Анализ на собственные частоты
    • Анализ незатухающих колебаний
    • Анализ затухающих колебаний
    • Анализ предварительных напряжений
  • Анализ переходных процессов
    • Анализ прямой или модальной суперпозиции
  • Анализ частотной характеристики
  • Параметрический анализ
  • Квазистатический анализ
  • Линейный анализ потери устойчивости
  • Модальный анализ
  • Модальный анализ пониженного порядка

Что можно моделировать с помощью модуля Механика конструкций

Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов COMSOL Multiphysics® поставляется с готовыми физическими интерфейсами interfaces со специализированными настройками, благодаря которым упрощается подготовка и выполнение расчетов. В модуле Механика конструкций имеются как готовые модели материалов, так и возможность добавить пользовательские модели материалов в зависимости от характера анализа. Можно также оптимизировать геометрические размеры, нагрузки и свойства материалов конструкций, используя модуль расширения Оптимизация.

Ниже можно подробнее узнать о возможностях моделирования в модуле Механика конструкций.

Did You Know? Физические интерфейсы представляют собой готовые пакеты, содержащие формулы элементов, модели материалов и граничные условия для моделирования в определенной области физики.

Интерфейсы Solid Mechanics (Механика твердого тела), доступные в трехмерных, двумерных (напряжение в плоскости, деформация в плоскости и обобщенная деформация в плоскости) и двумерных осесимметричных моделях, реализуют наиболее общий подход к анализу твердотельных конструкций. Используя геометрически нелинейный метод, можно анализировать ситуации с произвольно большими вращениями и деформациями.

Имеется широкий набор моделей материалов для точного решения задач механики твердого тела, а с моделированием на основе уравнений пользователя возможности становятся еще шире. Можно самостоятельно определять свойства материалов, используя постоянные, пространственные или нелинейные выражения, таблицы подстановки или их сочетания.

При моделировании контакта можно учесть статическое и динамическое трение, адгезию и расслаивание. Для соприкасающихся объектов можно задать произвольно большое относительное смещение.

 

Использование трехмерных элементов (оболочек) и двумерных элементов (пластин) может быть очень эффективным при моделировании тонких конструкций. Формулы 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 полностью трехмерным представлением геометрии. Результаты анализа элементов оболочки можно представить на двух параллельных поверхностях и в результате получить трехмерную визуализацию.

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 трех измерениях используются для вычисления смещений в плоскости и вне ее. При исследовании конструкции такого типа часто используется возможность начала моделирования из состояния предварительного напряжения.

Пример модели кронштейна, построенной с использованием оболочек. Для анализа кронштейна создается взаимосвязь «твердое тело — оболочка». Слева: верхняя (черная) и нижняя (белая) поверхности оболочек, твердотельная часть выделена серебристым цветом. Справа: на радужном графике показаны напряжения в кронштейне.

Для моделирования балок предусмотрены специальные типы элементов — тонкие конструкции, которые могут быть полностью описаны через параметры поперечного сечения, такие как площадь и момент инерции. Доступны методы 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.

Интерфейс Балка содержит ряд встроенных типов поперечного сечения:

  • Прямоугольное
  • Коробчатое
  • Труба
  • Круглое
  • Двутавр
  • Широкополочный швеллер
  • Тавр
  • Узкополочный швеллер
  • Корытообразное
  • Пользовательское

Можно также рассчитать свойства для произвольных двумерных поперечных сечений и использовать их в качестве входных данных для анализа балок.

Кроме того, с помощью модуля Механика конструкций можно моделировать тонкие конструкции, выдерживающие только осевые силы (фермы). Эти элементы можно также использовать для моделирования провисающих канатов и армирования.

 

В модуле Механика конструкций предусмотрено множество различных нагрузок и ограничений для высокоточного моделирования.

Примеры:

  • Распределенные нагрузки на области, границы и края
  • Результирующая сила
  • Следящие нагрузки
  • Сила тяжести
  • Движущиеся нагрузки
  • Вращающиеся рамы с центробежной, кориолисовой и эйлеровой силами
  • Пружины и демпферы
  • Присоединенная масса
  • Установленное смещение, скорость и ускорение
  • Периодические граничные условия
  • Слабоотражающие границы
  • Идеально согласованные слои (PML)
  • Бесконечные элементы
 

Имеется ряд функций для особых типов моделирования, например:

  • Жесткий соединитель
  • Жесткая область
  • Предварительное натяжение болтов
  • Моделирование резьбового контакта болтов
  • Линеаризация напряжения
  • Выражения для запаса прочности
  • Суперпозиция вариантов нагрузки
Пример моделирования предварительного натяжения болтов в модуле Механика конструкций. В этой модели соединения труб предусмотрена предварительная затяжка болтов, а также линеаризация напряжений.

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

Доступно множество возможностей для расширения имеющихся моделей материалов и создания собственных:

  • Выражения, определяемые параметрами деформации, напряжения, пространственных координат, времени или полями другого физического интерфейса, можно вводить непосредственно в поле входных данных для свойства материала
  • При анализе в частотной области можно вводить комплексные выражения
  • Можно добавить дополнительные обыкновенные дифференциальные уравнения или дифференциальные уравнения в частных производных, чтобы учесть вклад неупругой деформации
  • Можно также включить собственную модель материала в пакет COMSOL Multiphysics® путем программирования внешней функции на языке С

Модели материалов могут включать тепловое и гигроскопическое расширение, исходные напряжения и деформации, а также несколько типов демпфирования. Свойства материала могут быть изотропными, ортотропными или полностью анизотропными.

С помощью модулей Нелинейные конструкционные материалы и Геомеханика к возможностям модуля Механика конструкций добавляется широкий спектр нелинейных моделей материалов. Эти полностью интегрированные в интерфейс пользователя COMSOL Multiphysics® модули расширения можно использовать для нелинейного механического анализа или, вместе с другими расширениями, для мультифизического анализа. Всего доступно 75 различных моделей материалов для решения задач механики.

Нелинейные модели материалов:

  • Упругопластичность
  • Гиперупругость
  • Нелинейная упругость
  • Вязкопластичность
  • Текучесть
  • Пороластичность
  • Сплавы с памятью формы
  • Пластичность почвы
  • Бетон
  • Твердая порода
  • Пользовательские материалы
Пример использования моделей вязкоупругих материалов в механической модели. Демпфер, используемый для гашения вибраций в конструкциях, моделируется с помощью моделей вязкоупругих материалов.

Можно вычислить усталостную долговечность конструкций с помощью модуля Усталость материала, который доступен в качестве расширения для модуля Механика конструкций. Модуль Усталость материала полностью встроен в среду моделирования COMSOL Multiphysics® и позволяет выполнять различные виды анализа, в том числе анализа усталости, связанной с деформацией, напряжением и энергией.

Анализ усталости материала:

  • Многоцикловая усталость
    • На основе диапазона напряжения
  • Малоцикловая усталость
    • На основе диапазона деформации или рассеяния энергии
  • Подсчет циклов методом «дождя»
  • Накопленное повреждение
  • Многоосная усталость на основе методов критической плоскости
  • Усталость, вызванная вибрацией
Анализ усталости модели колесного диска. В результате анализа многоцикловой усталости максимальный усталостный коэффициент использования наблюдается на спице колеса.

С помощью модуля [Динамика многотельных систем], который доступен в качестве расширения для модуля Механика конструкций, можно выполнять динамический анализ многотельных систем. В нем имеется большой набор инструментов для моделирования смешанных систем, состоящих из гибких и жестких тел. Взаимосвязи с интерфейсами Solid Mechanics (Механика твердого тела), Shell (Оболочка) и Beam (Балка) обеспечивают доступ к полному спектру функций для моделирования механики конструкций.

Возможности динамики многотельных систем:

  • Более 10 различных соединений для двумерного и трехмерного анализа
  • Пружины и демпферы
  • Шестерни
  • Статический анализ, анализ переходных процессов, собственной частоты и частотной области
  • Сосредоточенные механические системы
Динамическая многотельная модель стиральной машины. В результате расчета собственных частот вибрирующей стиральной машины можно найти форму колебаний, а с помощью нестационарного анализа — соответствующие перемещения.

Модуль Роторная динамика используется для моделирования компонентов и деталей вращающихся механизмов в случаях, когда асимметрия и вращение могут приводить к неустойчивости и разрушительным резонансам.

Возможности модуля Роторная динамика:

  • Схематизация твердых тел и балок
  • Гидродинамические подшипники
  • Подшипники скольжения и упорные подшипники
  • Подшипники качения
  • Диаграммы Кэмпбелла
  • Пути движения
  • Каскадные диаграммы и вихревые графики
Модель роторной динамики коленчатого вала поршневого двигателя. Коленчатый вал поршневого двигателя моделируется как цельный ротор с гидродинамическими подшипниками для получения данных о напряжении в коленчатом вале и давлении жидкости, путях движения шеек и поперечном смещении подшипников.

Импорт геометрии САПР

Для выполнения анализа геометрических моделей, созданных в сторонних САПР, можно использовать COMSOL Multiphysics® вместе с любым из следующих модулей интеграции.

Модуль Импорт данных из САПР и модуль Проектирование

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

Взаимодействие с продуктами LiveLink™

Имеется ряд модулей интеграции, с помощью которых можно импортировать проекты из САПР в COMSOL Multiphysics® для выполнения расширенного моделирования. Продукты LiveLink™ позволяют сохранить параметризацию исходной модели САПР и выполнять параметрические исследования и оптимизацию в программе COMSOL® без необходимости переопределять параметры модели.

Можно также обновлять параметры геометрии в САПР и COMSOL Multiphysics® параллельно, а также выполнять параметрический анализ и оптимизацию по нескольким параметрам моделирования.

Возможно использование со следующими программными пакетами:

  • SOLIDWORKS®
  • Inventor®
  • AutoCAD®
  • PTC® Creo® Parametric™
  • PTC® Pro/ENGINEER®
  • Solid Edge®
Соединение двух труб, геометрическая модель которого импортирована в программу COMSOL. Геометрическая модель содеинения двух трую импортирована для анализа в программный пакет COMSOL Multiphysics® и упрощена до двумерной осесимметричной модели. Результат анализа показывает напряжения в стальной трубе и давление в точках контакта.

Мультифизические связи для расширенного анализа механики конструкций

Во многих случаях поведение конструкции тесно связано с физическими явлениями. Одним из преимуществ COMSOL Multiphysics® является то, что в одной программной среде можно легко смоделировать различные варианты взаимодействия. Для множества распространенных случаев имеются встроенные функции взаимосвязи (см. ниже), в то время как для остальных случаев легко можно настроить взаимосвязи самостоятельно.

Взаимодействие жидкости и конструкции

Анализ взаимодействия жидкости и твердого тела с учетом давления жидкости и сил вязкости. Деформации конструкции, которые выступают в роли граничного условия для жидкости, могут быть произвольно большими.

Термическое напряжение

Термическое напряжение и термоупругое демпфирование можно моделировать с помощью специальных мультифизических связей. Свойства материалов могут быть заданы в виде функции от температуры. Контактное давление учитывается не только при механическом анализе, но также и при расчете теплового потока через зону контакта.

Вибрации, акустика и упругие волны

Модуль Акустика добавляет возможность исследовать различные типы взаимодействий акустических полей и конструкций, такие как «акустическое поле — оболочка», «акустическое поле — твердое тело», а также вибрацию, пьезоакустические взаимодействия и распространение упругих волн.

Течения в пористых средах

Совместное использование с модулем Течения в пористых средах позволяет дополнить интерфейсы механики твердых тел моделями пороэластичности и течения в пористых средах.

Пьезоэлектричество и магнитострикция

Пьезоэлектрические устройства можно моделировать с высокой точностью, используя встроенную взаимосвязь между интерфейсами Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Electrostatics (Электростатика). Доступны свойства материалов для многих распространенных пьезоэлектрических материалов.

Используя модуль AC/DC в сочетании с модулем Механика конструкций, можно моделировать самые разные датчики и приводы на основе принципов магнитострикции.

Микроэлектромеханические конструкции и пьезорезистивный эффект

Модуль MEMS позволяет моделировать микроэлектромеханические конструкции. Благодаря встроенным взаимосвязям упрощается анализ пьезорезистивного эффекта, электромеханических деформаций под действием электростатических сил и электрострикции.

Высокочастотные электромагнитные явления

Модуль Механика конструкций можно использовать в сочетании с модулями Радиочастоты, Волновая оптика или Геометрическая оптика для анализа ситуаций, в которых механическая деформация и напряжение влияют на работу радиочастотного, микроволнового или оптического оборудования.

Низкочастотные электромагнитные явления

Совместное использование модуля Механика конструкций с модулем AC/DC позволяет учесть электромагнитные эффекты при анализе конструкции, например, воздействие электромагнитных сил, тепловое расширение вследствие джоулева нагрева, термоэлектромеханические контакты.

Пример мультифизического моделирования горячей штамповки алюминия с учетом взаимодействия жидкости и конструкции и термических напряжений. В процессе горячей штамповки алюминия учитывается как взаимодействие жидкости и конструкции, так и термические напряжения.
Пример мультифизической модели пьезоакустического преобразователя. Модель пьезоакустического преобразователя для расчета напряжений и деформаций в преобразователе под действием электрической нагрузки, а также для анализа создаваемого акустического давления.
Пример моделирования нелинейной магнитострикции с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics. Модель магнитострикционного преобразователя строится для расчета перемещений и механических напряжений в преобразователе, а также распределения магнитного поля.
Пример моделирования микроэлектромеханических конструкций с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics. В этом примере предварительно напряженного микрозеркала тело смещается под действием электростатических сил, в то время как выступающие концы остаются неподвижными.
Пример модели, в которой механический анализ конструкции совмещен с оптическим анализом. Фотоупругость фотонного волновода моделируется путем проведения механического анализа, за которым следует оптический анализ.

Приложения для моделирования: настройте входные и выходные данные вашей модели для упрощения процесса проектирования

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы посвятить новым проектам, если бы вам не приходилось выполнять однотипные расчеты для ваших коллег. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics®, вы можете создавать приложения, которые упрощают процесс моделирования, предоставляя возможность ограничивать набор входных данных и управлять выводом результатов расчета. С помощью приложений ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

В приложении можно легко изменять расчетные параметры, например, свойства материалов или параметры геометричекской модели, и выполнять моделирование столько раз, сколько это необходимо, без перенастройки всей расчетной модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Процедура проста:

  • Преобразуйте вашу сложную модель механического анализа в приложение с простым пользовательским интерфейсом
  • Настройте приложение, добавляя поля для ввода и вывода нужных данных, которые будут доступны пользователям
  • Используйте продукт COMSOL Server™ для хранения и запуска приложений и откройте доступ вашим коллегам или клиентам
  • Позвольте вашим коллегам или клиентам выполнять свои расчеты и исследования без вашей помощи

С помощью приложений вы можете расширить возможности моделирования в пределах вашей рабочей группы, организации, учебного класса или для ваших клиентов.

Пример приложения для анализа конструкций трубных соединений. В этом приложении для моделирования содинений труб методом посадки с натягом можно отредактировать размеры трубы, область соединения и коэффициент трения и увидеть, как это влияет на эффективное напряжение, контактное давление и деформацию труб.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, 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 представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.