Structural Mechanics Module

Neue Anwendung: „Viscoelastic Structural Damper“

Viskoelastische Dämpfungselemente werden zum Schutz von großen Strukturen vor Vibrationen eingesetzt. Mit der Anwendung „Viscoelastic Structural Damper“ können Sie Zeitbereichs- und Frequenzbereichsanalysen für typische viskoelastische Dämpfungselemente ausführen. Sie ermöglicht die Berechnung und Analyse von wichtigen Dämpferparametern wie Hystereseschleife, Verlustmodul und Speichermodul für ein vorgegebenes Materialmodell. Zusätzlich können Sie das Dämpfungsverhalten bei zwei verschiedenen Einstellungen für die viskoelastischen Materialparameter durch eine visuelle Darstellung miteinander vergleichen.

Sie können die Anzahl der viskoelastischen Zweige und deren zugehörige Materialparameter sowie den Betrag und die Phase der aufgebrachten Last ändern. Ein Dämpfer kann mit der Anwendung im Frequenzbereich oder als zeitabhängiges Problem untersucht werden.

Die Anwendung „Viscoelastic Structural Damper“ – dargestellt wird der Hystereseplot für die z-Richtung bei Bohrung 1. Die Anwendung „Viscoelastic Structural Damper“ – dargestellt wird der Hystereseplot für die z-Richtung bei Bohrung 1.

Die Anwendung „Viscoelastic Structural Damper“ – dargestellt wird der Hystereseplot für die z-Richtung bei Bohrung 1.

Neue Anwendung: „Beam Section Calculator“

Mit dieser Anwendung können Sie den Querschnitt für eine Vielzahl von Balken bestimmen, die europäischen und US-Standards entsprechen. Die berechneten Daten können dann in die COMSOL Multiphysics®-Simulationssoftware übertragen werden, um sie als Eingangsdaten zu verwenden.

Sie können auch für auf den Querschnitt wirkende Kräfte und Drehmomente eine detaillierte Spannungsverteilung berechnen. Diese Anwendung basiert auf dem Interface Balkenquerschnitt von COMSOL Multiphysics.

Die mit der Anwendung zur Berechnung von Balkenquerschnitten erzielten Querschnittsergebnisse. Die mit der Anwendung zur Berechnung von Balkenquerschnitten erzielten Querschnittsergebnisse.

Die mit der Anwendung zur Berechnung von Balkenquerschnitten erzielten Querschnittsergebnisse.

Neue Anwendung: „Truss Bridge Designer“

Der „Truss Bridge Designer“ ist ein Beispiel für ein Simulationswerkzeug für eine Klasse von Ingenieurbauwerken, in diesem Fall für eine Pratt-Fachwerkbrücke. Charakteristisch für diesen Brückentyp sind die diagonalen Balken auf beiden Brückenseiten, die sich alle in Richtung Brückenmitte neigen. Diese Konstruktion bedingt, dass die diagonalen Balken nur einer Zugspannung ausgesetzt werden, während die vertikalen Balken, die kürzer und daher weniger sensitiv gegenüber Knicken sind, einem Druck ausgesetzt werden.

Sie können in der Anwendung alle wesentlichen geometrischen Abmessungen der Fahrbahn und der Tragholme ändern. Weiterhin können Sie durch die Angabe einer Anzahl von LKW die Belastung sowie eine seitlich einwirkende Windlast festlegen. Zusätzlich zur Durchführung einer stationären Studie, bei der die Auslenkungen und Spannungen, die von den Lasten verursacht werden, berechnet werden, können Sie die Eigenfrequenzen der Brücke bestimmen.

Der „Truss Bridge Designer“ – dargestellt werden Spannungen in Stützträgern in einer der Ergebnis-Registerkarten. Der „Truss Bridge Designer“ – dargestellt werden Spannungen in Stützträgern in einer der Ergebnis-Registerkarten.

Der „Truss Bridge Designer“ – dargestellt werden Spannungen in Stützträgern in einer der Ergebnis-Registerkarten.

Neue Anwendung: „Linear Buckling of a Truss Tower“

Mit dieser Anwendung können Sie den Wert der kritischen Druckbelastung ermitteln. Bei Überschreitung dieses Werts wird die Konstruktion instabil. Sie können die Knickbeanspruchung bei einem Stahlfachwerkturm simulieren, der vertikalen Druckbelastungen ausgesetzt wird, um die kritische Druckbelastung zu ermitteln.

Mit der Anwendung können Sie die Knickbelastung eines Turms unter verschiedenen geometrischen Bedingungen berechnen und analysieren. Zu den definierbaren Parametern gehören Turmhöhe und Querschnittsfläche sowie das Material. Sie können festlegen, ob der Turm durch Seile abgespannt wird. Bei den Berechnungen wird die Belastung durch die ruhende Beanspruchung (Eigengewicht von Trägern und Seilen sowie deren Vorspannung) berücksichtigt.

Mit der Anwendung „Linear Buckling of a Truss Tower“ wird die Druckbelastung für einen abgespannten Turm berechnet. Mit der Anwendung „Linear Buckling of a Truss Tower“ wird die Druckbelastung für einen abgespannten Turm berechnet.

Mit der Anwendung „Linear Buckling of a Truss Tower“ wird die Druckbelastung für einen abgespannten Turm berechnet.

Neue Anwendung: „MEMS Pressure Sensor Drift Due to Hygroscopic Swelling“

Um MEMS-Bausteine in Mikroelektronikschaltkreise integrieren zu können, werden sie auf Leiterplatten gebondet und mit anderen Bauelementen verbunden. Der gesamte Schaltkreis wird anschließend oft mit Epoxid überzogen, um die Bauelemente und deren Verbindungsleitungen mit der Platine zu schützen. Die Epoxidpolymere solcher Platinen nehmen Feuchtigkeit auf und unterliegen einem hygroskopischen Aufquellen. Das Aufquellen kann zum Lösen des Epoxids von der Platine sowie zu Fehlfunktionen in MEMS-Komponenten führen.

Mit dieser Anwendung können Sie die Drift simulieren, die aufgrund der gemessenen Beanspruchung durch hygroskopisches Aufquellen bei einem MEMS-Drucksensor auftritt, der einer feuchten Umgebung ausgesetzt ist. Die Anwendung unterstützt Sie dabei, die erforderliche Empfindlichkeit zu erzielen und die Drift zu minimieren. Sie können geometrische Parameter, Materialeigenschaften des Epoxids und die Umgebungsbedingungen festlegen.

Die Anwendung nutzt die Interfaces Transport verdünnter Spezies, Festkörpermechanik und Schale von COMSOL Multiphysics®.

Die Anwendung zur Ermittlung der MEMS-Drucksensordrift aufgrund von hygroskopischem Aufquellen – dargestellt werden die Simulationsergebnisse für die Drucksensorstabilität. Die Anwendung zur Ermittlung der MEMS-Drucksensordrift aufgrund von hygroskopischem Aufquellen – dargestellt werden die Simulationsergebnisse für die Drucksensorstabilität.

Die Anwendung zur Ermittlung der MEMS-Drucksensordrift aufgrund von hygroskopischem Aufquellen – dargestellt werden die Simulationsergebnisse für die Drucksensorstabilität.

Neue Anwendung: „Interference Fit“

Mit dem „Interference Fit Calculator“ können Sie die Verbindung einer Presspassung untersuchen. Bei der Presspassung wird ein Rohr über ein anderes Rohr geschoben und aufgeschrumpft. Dadurch wird das Innenrohr zusammengedrückt.

Der resultierende Anpressdruck hängt von der anfänglichen Geometrie beider Rohre ab. Die Höhe der übertragbaren Kraft und des übertragbaren Drehmoments der Verbindung hängt von der Reibungskraft zwischen den beiden Rohren ab, die proportional zum Anpressdruck ist.

In der Anwendung können Sie die Rohrgeometrien, die Größe des Überlappungsbereichs und den Reibungskoeffizienten ändern. Nach Vornahme einer Änderung wird der wirksame Druck in der Baugruppe, der Anpressdruck an den Grenzflächen zwischen den beiden Rohren und die Verformung der beiden Rohre an der Überlappungsstelle angezeigt.

Berechnete Druckergebnisse in der „Interference Fit“-Anwendung. Berechnete Druckergebnisse in der „Interference Fit“-Anwendung.

Berechnete Druckergebnisse in der „Interference Fit“-Anwendung.

Materialmodelle aus extern programmierten Bibliotheken

COMSOL Multiphysics Version 5.2 bietet eine neue Methode zur Festlegung von benutzerdefinierten Materialmodellen. Sie können nun auf externe Materialfunktionen zugreifen, die in C-Code geschrieben sind und in einer gemeinsam genutzten Bibliothek kompiliert wurden. Sie können auch Materialfunktionen nutzen, die in einer anderen Programmiersprache geschrieben wurden, indem Sie eine Gateway-Funktion in C-Code schreiben. Auf diese Weise können Sie Ihre eigenen Materialmodelle programmieren und sie als Add-ons verteilen.

Die Spannung-Dehnungs-Beziehung kann vollständig mit der externen Bibliothek definiert werden, oder die Bibliothek liefert einen Beitrag zur unelastischen Dehnung an die verfügbaren Materialmodelle. Die ausschließliche Anwendung eines Beitrags zur unelastischen Dehnung stellt eine leistungsfähige Methode dar. Die Methode ermöglicht die Implementierung von Materialien, die den integrierten Materialmodellen ähnlich sind, die als Unterknoten unter dem Knoten Linear elastisches Material verfügbar sind, z. B. Kriechen und Plastizität. Die vollständige Spannung-Dehnungs-Beziehung entspricht dagegen dem Materialmodell eines übergeordneten Materialknotens, z. B. dem Materialmodell Cam-Clay. Mit dem Knoten wird das Materialmodell von Grund auf definiert.

Die beiden neuen Funktionen sind im Interface Festkörpermechanik verfügbar und bieten die folgenden neuen Optionen: Das Materialmodell Externe Spannungs-Dehnungs-Beziehung und den Unterknoten Externe Dehnung unter dem Knoten Linear elastisches Material.

Die vom Benutzer definierbaren Optionen in beispielsweise den Knoten Hyperelastisches Material, Plastizität und Kriechen ermöglichen Ihnen die einfache Definition von eigenen Materialmodellen. Diese Optionen unterliegen jedoch einigen Einschränkungen.

Hinzufügen einer „External Stress-Strain Relation“ (Externe Spannungs-Dehnungs-Beziehung) als Material für bestimmte Bereiche. Hinzufügen einer „External Stress-Strain Relation“ (Externe Spannungs-Dehnungs-Beziehung) als Material für bestimmte Bereiche.

Hinzufügen einer „External Stress-Strain Relation“ (Externe Spannungs-Dehnungs-Beziehung) als Material für bestimmte Bereiche.

Kontakt mit kleinen relativen Verschiebungen

COMSOL Multiphysics Version 5.2 bietet eine neue Methode, mit der die Abstände innerhalb von Kontaktpaaren mit wenig Aufwand berechnet werden können. Sie können diese Methoden anwenden, wenn die Kontaktflächen kaum aufeinander gleiten, z. B. bei einer Presspassung oder bei zwei zusammengeschraubten Teilen. Die Zuordnung zwischen der Quelle und dem Ziel wird nur einmal berechnet, wodurch schnellere Konvergenz erzielt werden kann. Um diese Methode anwenden zu können, stellen Sie die Zuordnungsmethode im Einstellungsfenster für das Kontaktpaar auf Anfangskonfiguration ein.

Anpassung des Anfangskontaktabstands

Bei der Finite-Elemente-Diskretisierung von gekrümmten Rändern kann es vorkommen, dass der Anfangsabstand zwischen zwei Rändern in einem Kontaktpaar wahrnehmbare Unregelmäßigkeiten aufweist. Dieses Problem kann nun beseitigt werden, indem der Anfangsabstand berechnet wird. Dieser Anfangsabstand wird in der nachfolgenden Analyse subtrahiert, wenn Sie im Einstellungsfenster Kontakt im Interface Festkörpermechanik das Kontrollkästchen Erzwinge einen Anfangsabstand von Null aktivieren.

Spannungen, die von der Schrumpfpassung zwischen dem Lenkrohr und dem Kopf einer Gabel eines Fahrrads verursacht werden (stammt vom Übungsmodell für eine Mountainbike-Gabel). Spannungen, die von der Schrumpfpassung zwischen dem Lenkrohr und dem Kopf einer Gabel eines Fahrrads verursacht werden (stammt vom Übungsmodell für eine Mountainbike-Gabel).

Spannungen, die von der Schrumpfpassung zwischen dem Lenkrohr und dem Kopf einer Gabel eines Fahrrads verursacht werden (stammt vom Übungsmodell für eine Mountainbike-Gabel).

Eingeben einer vollständigen Massenmatrix in „Hinzugefügte Masse“

Die Funktion Hinzugefügte Masse wurde erweitert und ermöglicht nun die Eingabe einer vollständigen Massenmatrix.

Einbeziehung der thermoelastischen Dämpfung

Bei der Multiphysik-Kopplung Thermische Ausdehnung können Sie nun festlegen, ob bei einem Wärmeübertragungsproblem die Zeitableitung der Spannungen als Wärmequelle dienen soll. Indem das neue Kontrollkästchen Thermoelastische Dämpfung aktiviert wird, wird bei der Lösung einer zeitabhängigen Aufgabe eine Zweiwegkopplung hergestellt.

Interpretation der vorgegebenen Geschwindigkeit/Beschleunigung bei stationären Analysen

Wenn in einem Modell der Knoten Vorgegebene Geschwindigkeit oder Vorgegebene Beschleunigung vorhanden ist, können Sie definieren, wie diese Randbedingungen bei stationären Analysen interpretiert werden sollen. Diese können entweder als beschränkt oder frei (werden ignoriert) festgelegt werden. Diese Festlegung ist insbesondere bei Modellen und Anwendungen mit mehreren verschiedenen Analysetypen (zeitabhängige, stationäre und Frequenzbereichsanalysen) sinnvoll.

Neues Modell: „Presspassung in einer Mountainbike-Gabel“

Bei einer Presspassung bzw. Übermaßpassung werden zwei Teile miteinander verbunden, indem ein Teil über das andere gestülpt wird. Das Innenteil wird gekühlt, sodass es schrumpft, und dann eingepasst. Wenn sich das Innenteil erwärmt und ausdehnt, entsteht ein Anpressdruck an den Grenzflächen zwischen den beiden Teilen.

Dieser Verbindungstyp wird in einem Übungsbeispiel für eine Mountainbike-Gabel simuliert, bei der das Lenkerrohr mit dem Gabelkopf verbunden wird. Mit der Simulation wird der Anpressdruck und die Spannungsverteilung sowie die übertragbare Kraft und das übertragbare Drehmoment ermittelt.

Maximale und minimale Hauptspannungen an der Verbindung zwischen dem Lenkerrohr und dem Gabelkopf. Maximale und minimale Hauptspannungen an der Verbindung zwischen dem Lenkerrohr und dem Gabelkopf.

Maximale und minimale Hauptspannungen an der Verbindung zwischen dem Lenkerrohr und dem Gabelkopf.