Модуль Механика конструкций

Для выполнения анализа строительной механики

Модуль Механика конструкций

Анализ собственной частоты соединительной тяги показывает угол закручивания вдоль тяги при самой низкой собственной частоте.

Статический, переходный анализ прочности конструкций и анализ в частотной области

Модуль строительной механики предназначен для анализа механических конструкций, на которые действуют статические и динамические нагрузки. Его можно использовать для различных типов анализа, включая стационарный, переходный, собственных колебаний (модальный), параметрический, квазистатический, частотных характеристик, коробления и предварительного напряжения.

Подключаемые продукты дополняют и улучшают выполнение анализа прочности конструкций

Модуль строительной механики предоставляет пользовательские интерфейсы для выполнения анализа в двухмерных, двухмерных осесимметричных и трехмерных системах координат для твердых тел, оболочек (трехмер.), плит (двухмер.), ферм (двухмер. и трехмер.), мембран (двухмер. осесиметр., трехмер.) и балок (двухмер. и трехмер.). Это позволяет выполнять анализ большой деформации с геометрической нелинейностью, механическим контактом, температурной деформацией, пьезоэлектрическими материалами и взаимодействием конструкции с текучей средой. Если вы хотите выполнить анализ нелинейных материалов, то есть два подключаемых продукта - Nonlinear Structural Materials Module (Модуль нелинейных конструкционных материалов) и Geomechanics Module (Модуль геомеханики). Для оценки усталостной долговечности можно использовать Fatigue Module (Модуль усталости), но если вам необходимо смоделировать динамику гибких и твердых тел, то есть подключаемый Multibody Dynamics Module (Модуль многочастичной динамики). Модуль строительной механики также работает в тандеме с COMSOL Multiphysics (COMSOL мультифизика) и другими модулями специализированного применения для объединения анализ прочности конструкций с широким рядом мультифизических явлений, включая взаимодействие механических конструкций с электромагнитными полями, потоком жидкости и химическими реакциями.


Дополнительные изображения с примерами:

  • Анализ собственной частоты лопастного колеса выполняется путем моделирования на одной из лопастей с применением характерных периодических граничных условий. Анализ собственной частоты лопастного колеса выполняется путем моделирования на одной из лопастей с применением характерных периодических граничных условий.
  • Переходный анализ прочности конструкции демпфера, изготовленного из  вязкоупругого материала. Переходный анализ прочности конструкции демпфера, изготовленного из вязкоупругого материала.
  • Предварительно напряженные болты вносят растягивающие усилия, напрягая тем самым фланец. Предварительно напряженные болты вносят растягивающие усилия, напрягая тем самым фланец.
  • FSI - панель солнечной батареи, на которую действует ветровая нагрузка, одновременно подвергается анализу прочности механических конструкций и воздействия текучей среды. FSI - панель солнечной батареи, на которую действует ветровая нагрузка, одновременно подвергается анализу прочности механических конструкций и воздействия текучей среды.
  • Контакт между шарикоподшипниками, корпусом, а также большая деформация резинового уплотнения шарнира для передачи постоянной частоты вращения. Модель любезно предоставил Фабио Гателли, Metelli S.p.A., Колонье, Италия. Контакт между шарикоподшипниками, корпусом, а также большая деформация резинового уплотнения шарнира для передачи постоянной частоты вращения. Модель любезно предоставил Фабио Гателли, Metelli S.p.A., Колонье, Италия.
  • Изучение вращения лопастей показывает, как сочетание увеличения напряжения и ослабления вращения влияет на базовую собственную частоту. Изучение вращения лопастей показывает, как сочетание увеличения напряжения и ослабления вращения влияет на базовую собственную частоту.

Модели материалов

Составные модели модуля механики конструкций включают в себя модели линейных упругих и вязкоупругих материалов, а также ортотропных материалов и материалов с демпфированием. Включенный набор моделей материалов можно расширить, добавив Nonlinear Structural Materials Module (Модуль нелинейных конструкционных материалов) и Geomechanics Module (Модуль геомеханики), которые позволяют выполнять анализ деформации пластика при сильном натяжении, анализ гиперупругих материалов, пластичности, ползучести, горных пород, бетона и грунта. Существует значительная гибкость при вводе определенных пользователем материалов, которая проявляется при работе пользовательского интерфейса COMSOL, поддерживающего уравнения. Во многих случаях можно заменить традиционный подход с пользовательской подпрограммой на простое введение определяющих уравнений непосредственно через графический интерфейс пользователя в форме математических выражений с переменными полями, инвариантами напряжения и натяжения, а также с полученными числовыми значениями. Например, модуль Юнга не должен быть постоянным, но может быть функцией любого переменного поля и его производных. Свойства материалов могут изменяться во времени и пространстве, или могут быть описаны с помощью комплексных выражений.

Нагрузки, ограничения и специализированные высокоэффективные инструменты моделирования

Существует огромное разнообразие нагрузок и ограничений. В их число входят результирующие силы, сжимающие нагрузки, следящие нагрузки, пружины и демпферы, присоединённая масса, установленное смещение, скорость и ускорение. Для моделирования тонких упругих деталей Вы можете использовать специальный интерфейс для тонкого упругого слоя. Более того, имеются специальные условия для жесткой области и жесткой границы для сочетания жестких и упругих конструкций, а также дополнительные возможности, которые предлагает Multibody Dynamics Module (Модуль многочастичной динамики). При моделировании небольшой конструкции, которая встроена или находится в верхней части большого основания из упругого материала, вы можете воспользоваться свойствами области указанного бесконечного элемента. Это дает возможность смоделировать поглощение напряжения, которое медленно ослабляется, и позволяет смоделировать небольшую урезанную область без потери точности, при этом позволяя выполнять высокоэффективное моделирование больших конструкций.

Механика твердого тела

Интерфейсы механики твердого тела в модуле строительной механики определяют величины и особенности для анализа напряженного состояния и общей линейной и нелинейной механики твердого тела, решая при этом проблемы смещения. Моделью материала по умолчанию является модель линейного упругого материала. Остальные модели материалов - это модели гиперупругости (необходим модуль нелинейных конструкционных материалов Nonlinear Structural Materials Module) и линейных вязкоупругих материалов. К тому же модель упругого материала можно расширить за счет функций для теплового расширения, демпфирования и начального напряжения и растяжения. Общие неупругие растяжения можно легко определить, если ввести их в качестве дополнительного начального растяжения, также они могут являться функциями любых физических полей - от электромагнитных до сил потока жидкостей. Описание упругих материалов в модуле включает в себя описание изотропных, ортотропных и полностью анизотропных материалов. Коэффициент для каждого материала можно описать с помощью постоянных, переменных, справочных таблиц, а также сложных и нелинейных выражений, которые могут изменяться в пространстве и времени. В модуле COMSOL Multiphysics (мультифизика COMSOL) можно интерпретировать любые выражения, что позволяет оставаться в среде COMSOL Desktop® для выполнения сложных задач моделирования и не прибегать к программированию.

Большие деформации и механический контакт

Модуль строительной механики позволяет моделировать сильную деформацию с геометрической нелинейностью и следящие нагрузки. Нагрузки могут распределяться, а также зависеть от других физических явлений, таких как электромагнитные поля или силы потока жидкости. Конечно же, мультифизический модуль может моделировать механический контакт. Например, вы можете применить тепловой поток (необходим модуль теплопередачи Heat Transfer Module) или электрический ток (необходим модуль переменного тока/постоянного тока AC/DC Module) на линиях раздела, которые находятся в контакте, и использовать контактное напряжение для моделирования определенной величины тока или теплопередачи.

Оболочки, плиты и мембраны

Оболочки, исходя из формулировки Миндлина-Райзнера, могут подвергаться анализу прочности механических тонкостенных конструкций, в которых вычислены поперечные деформации сдвига, а значит можно моделировать и толстые оболочки. Также можно задать сдвиг в направлении, которое является нормальным для выбранной поверхности. Интерфейс оболочки также включает в себя другие функции, такие как демпфирование, тепловое расширение и начальное напряжение и растяжение. Имеющиеся предварительные исследования одинаковы и для интерфейса механики твердого тела. Как и интерфейс оболочки, интерфейс плиты действует в одной плоскости, но, как правило, с нагрузками вне плоскости.

Интерфейс мембраны моделирует искривленные элементы при плоском напряжённом состоянии в трехмерном виде, которые могут деформироваться как в плоскости, так и вне её. Разница между оболочкой и мембраной заключается в том, что последняя не имеет сопротивления изгибу. Данный интерфейс подходит для моделирования таких конструкций, как тонкие пленки и ткани.

Вибрации, акустика и упругие волны

Имеется ряд возможностей для анализа вибрации с дополнительным объединением со звуковыми явлениями с помощью Acoustics Module (Акустического модуля). При объединении модуля строительной механики и акустического модуля вы получаете доступ к определенным инструментам для анализа взаимодействия оболочки и звука. Акустический модуль имеет дополнительные интерфейсы физических явлений для взаимодействия звука с твердыми телами и звука с пьезоэлектрическими устройствами. Для распространения упругих волн в материале модуль строительной механики предлагает разделы со слабым отражением и идеально совпадающие слои, в которых исходящие упругие волны моделируются в качестве поглощенных. Данная функция упрощает моделирование волн, которые распространяются наружу из вибрирующей конструкции в относительно большой или бесконечной среде.

Оценка усталости

Добавив к анализу строительной механики модуль усталости Fatigue Module, вы сможете выполнить вычисления усталостной долговечности. Имеются методы анализа малоцикловой и многоцикловой усталости, а также анализ накопленного повреждения. Модуль усталости тесно связан с модулем строительной механики, а при выполнении вычислений для строительной механики и усталости вы остаетесь в среде COMSOL Desktop®. Модуль усталости можно использовать вместе с интерфейсами механики твердого тела, оболочки, многочастичной динамики, а также для интерфейсов физических явлений, которые моделируют тепловые напряжения, нагрев джоулевым теплом, вместе с тепловым расширением и пьезоэлектрическими устройствами.

Балки и фермы

Балочные элементы в модуле строительной механики предназначены для анализа гибких конструкций (балок), которые можно полностью описать с помощью свойств поперечного сечения, например, областью и моментом инерции. Они моделируют каркасные конструкции, в плоскости и в пространстве, и могут быть соединены с другими типами элементов, например, для анализа усиления жестких конструкций и оболочек. Интерфейс балки включает в себя библиотеку треугольных, прямоугольных, трубчатых сечений балок, а также Н-, U-, Т-образные профили сечений балок. В дополнительные функции входит демпфирование, тепловое расширение и начальное напряжение и растяжение. Отдельный интерфейс двухмерных физических явлений, который называется поперечным сечением балки, можно использовать для оценки свойств поперечного сечения для произвольных двухмерных поперечных сечений, которые служат входными данными при анализе балки.

Интерфейс ферм можно использовать для моделирования гибких конструкций, которые могут выдерживать только осевые силы. Фермы позволяют создать подробное описание малых натяжений, а также натяжений при сильной деформации. Примером конструкций ферм являются фермы с прямыми краями и кабелями, которые подвергаются действию сил притяжения (провисающие кабели). В дополнительные функции входит демпфирование, тепловое расширение и начальное напряжение и растяжение.

Тепловое напряжение

Модуль строительной механики работает вместе с мультифизическим модулем COMSOL Multiphysics и может объединяться с другими подключаемыми модулями для моделирования различных видов применения мультифизики, и при этом он включает в себя ряд специально разработанных интерфейсов мультифизики. Например, интерфейс теплового напряжения похож на интерфейс механики твердого тела с добавлением тепловой модели линейного упругого материала. Его можно использовать в сочетании с различными интерфейсами теплопередачи, чтобы соединить температурное поле с расширением конструкции или материала. Специальный мультифизический интерфейс для нагрева джоулевым теплом и теплового расширения Joule Heating and Thermal Expansion multiphysics сочетает в себе тепловое напряжение с нагревом джоулевым теплом, и описывает прохождение электрического тока через конструкцию, последующий электрический нагрев вследствие активных потерь в конструкции, а также тепловое напряжение, вызванное температурным полем.

Дополнительные возможности механического моделирования в других модулях

Модуль MEMS Module предоставляет специальные инструменты для конструктивного моделирования, характерного для микромеханических систем. Он предлагает интерфейсы физических явлений для пьезорезистивного эффекта, электромеханической деформации, термоупругой вибрации и других усовершенствованных инструментов моделирования для выполнения анализа пьезоэлектрических устройств . С точки зрения анализа механической прочности Acoustics Module (Aкустический модуль) охватывает вибрации конструкции в сочетании с волнами звукового давления и распространением упругих и пороупругих волн. Subsurface Flow Module (Модуль подповерхностного течения) улучшает интерфейсы механики твердого тела с помощью пороупругости в сочетании с потоком в пористой среде.

САПР и оптимизация

Модуль импортирования САПР CAD Import Module позволяет импортировать ряд стандартных промышленных форматов САПР, включая операции по адаптации и исправлению геометрии, в частности вопросов, связанных с координатной сеткой, для подготовки моделей САПР к перенесению в другую рабочую среду и анализу. Модуль импортирования САПР также включает в себя хорошо известное геометрическое ядро Parasolid® с расширенной функциональностью по моделированию твердых тел в сравнении с базовым ядром COMSOL. Для механического моделирования конструкций с электроникой модуль импортирования ECAD Import Module предлагает возможность импортирования электрических схем. При работе с механикой узла важно сохранять исходную для САПР параметрическую модель, чтобы можно было проводить анализ и оптимизацию параметров без повторного их введения в исходной форме. Данную задачу можно выполнить с помощью продукции LiveLink™ для САПР, которая представлена для ряда ведущих систем САПР: SOLIDWORKS®, s, Inventor®, AutoCAD®, PTC® Creo® Parametric™, PTC® Pro/ENGINEER® и Solid Edge®. Данная продукция предлагает одновременное обновление геометрических параметров в системе САПР и COMSOL, а также допускает варьирование и оптимизацию ряда различных параметров моделирования. При добавлении модуля оптимизации Optimization Module становится возможной автоматическая оптимизация геометрических размеров, граничных нагрузок и свойств материалов.

Пьезоэлектрические устройства

Интерфейс пьезоэлектрических устройств объединяет функции моделирования COMSOL модулей механики твердого тела и электростатики COMSOL's Solid Mechanics and Electrostatics в один инструмент для моделирования пьезоэлектрических материалов. Объединенная модель для пьезоэлектрических устройств может находиться в состоянии напряжения или натяжения с совместными вычислениями для частотных зависимостей, собственной частоты и переходных процессов. Доступ к функциям механики твердого тела и электростатики можно получить через интерфейс физических явлений, например, для моделирования объекта внутри упругого твердого тела, воздушного пространства или слоев диэлектрика.

Взаимодействие конструкции с текучей средой (FSI)

Мультифизический интерфейс взаимодействия твердой и текучей (жидкой) сред Fluid-Structure Interaction (FSI) multiphysics объединяет гидродинамику с механикой твердого тела для расчета взаимодействия между текучей средой и конструкцией, являющейся в модели твердым телом. Интерфейсы механики твердого тела и ламинарного потока Solid Mechanics and Laminar Flow моделируют поведение твердого тела и текучей среды, соответственно. Объединение взаимодействия конструкции с текучей средой появляется на границе между текучей средой и твердым телом, и может включать в себя давление текучей среды и силы внутреннего трения, а также передачу импульса от твердого тела к текучей среде - двунаправленное взаимодействие конструкции с текучей средой. Метод, который используется для взаимодействия конструкции с текучей средой, известен как произвольный подход Лагранжа-Эйлера (ALE).

Simulation-Based Design of New Implantable Hearing Device

Boeing Simulates Thermal Expansion in Composites with Expanded Metal Foil for Lightning Protection of Aircraft Structures

Simulation Software Brings Big Changes to Cable Industry

Optimizing Built-in Tire Pressure Monitoring Sensors

Sonar Dome Vibration Analysis

Simulation-Based Engineering Fosters Innovation and Invention

Making Smart Materials Smarter with Multiphysics Simulation

Modeling of Complex Physics Speeds Chip Development

Researching a New Fuel for the HFIR: Advancements at ORNL Require Multiphysics Simulation to Support Safety and Reliability

Pushing the Limits of Chip Density

Analysis of Subsea Umbilicals and Cables

Multiphysics Analysis of CO2 Foil Thrust Bearing Characteristics

Actuation Technique for Miniature Robots Developed using Multiphysics Simulation

Bracket - Transient Analysis

Heating Circuit

Fluid-Structure Interaction in Aluminum Extrusion

Fluid-Structure Interaction in a Network of Blood Vessels

Thermal Initial Stresses in a Layered Plate

Cylinder Roller Contact

Peristaltic Pump

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Beam Section Calculator

Truss Tower Buckling