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Structural Mechanics Module Updates
Für Nutzer des Structural Mechanics Module bietet COMSOL Multiphysics® Version 6.1 Verbesserungen bei der Kontaktmodellierung, die Möglichkeit, lineare und nichtlineare Materialien an Rändern hinzuzufügen, sowie eine neue Funktion, die das Verhalten eines Materialmodells für ein bestimmtes Set von Materialeigenschaften numerisch testet und verifiziert. Hier erfahren Sie alles über die Updates des Structural Mechanics Module.
Verbesserungen der Kontaktmodellierung
Es wurden mehrere Ergänzungen und Verbesserungen an den Funktionen zur Kontaktmodellierung vorgenommen:
- Ein neuer, schnellerer Algorithmus für die Kontaktsuche wurde implementiert. Er ist besonders vorteilhaft für große 3D-Modelle.
- Die Nitsche-Methode, eine neue Methode zur Formulierung der Kontaktgleichungen, wurde hinzugefügt. Es handelt sich um eine robuste Methode, die keine zusätzlichen Freiheitsgrade hinzufügt.
- Es wurden für alle Kontaktmodelle neue, stabilere Formulierungen der Kontaktgleichungen hinzugefügt.
- Formulierungen für Schalen und Membranen wurden verbessert. Jetzt wird die tatsächliche Oberfläche auf gekrümmten Geometrien verwendet.
- Unterstützung für Selbstkontakt wurde verbessert. Die Formulierung ist jetzt symmetrisch zwischen den beiden Seiten des Kontaktpaares.
Animation eines elastoplastischen Rohrs, das in ein konisches Loch gedrückt wird. Der Selbstkontakt tritt an mehreren Stellen auf.
Solid Mechanics Interface in 1D
Das Interface Solid Mechanics ist jetzt für 1D- und 1D-achsensymmetrische Komponenten verfügbar und erfordert kein zusätzliches Produkt, um die Grundfunktionalität zu nutzen. In den Querrichtungen können verschiedene Kombinationen von ebener Spannung, ebener Dehnung und verallgemeinerter ebener Dehnung ausgewählt werden. Es gibt mehrere Multiphysik-Anwendungen, zum Beispiel in der Akku-Modellierung, der Akustik und der Wechselwirkung zwischen Wärme und Struktur, bei denen ein 1D-Modell wichtige Einblicke in ein physikalisches Phänomen liefern kann. Beachten Sie, dass die Funktionalität für Interkalationsspannungen in Akkus im Battery Design Module enthalten ist. Für die fortgeschrittene 1D-Modellierung stehen zusätzliche Funktionen zur Verfügung, wenn das Solid Mechanics Interface in Verbindung mit dem MEMS Module, dem Multibody Dynamics Module oder dem Acoustics Module verwendet wird.
Ein gekoppeltes thermisch-strukturelles Problem mit Kontakt in 1D-Achsensymmetrie. Beachten Sie, dass die zugrunde liegende Repräsentation hier einfach 1D-Elemente entlang einer Linie sind, während die Ergebnisse zur besseren Visualisierung auf eine kreisförmige Geometrie erweitert wurden.
Numerische Prüfung von Materialmodellen
Bei komplexen Materialmodellen, insbesondere bei solchen, die benutzerdefiniert sind, ist es wichtig zu untersuchen, wie sich ein Modell unter verschiedenen Lastbedingungen verhält. Die neue Funktion Test Material im Interface Solid Mechanics kann automatisch ein kleines Ein-Element-Modell mit geeigneten Randbedingungen und Studienschritten für mehrere verschiedene Lastbedingungen einrichten. Die Belastung kann quasistatisch oder zeitabhängig, monoton oder zyklisch sein. Sie können sich diese neue Funktion in den aktualisierten Modellen Isotropic Compression with Modified Cam-Clay Material Model und Primary Creep Under Nonconstant Load ansehen.
Materialien auf Rändern von Festkörpern
Es gibt jetzt eine große Auswahl an linearen und nichtlinearen Materialmodellen, die Sie für interne oder externe Ränder verwenden können. Damit können Sie zum Beispiel Klebeschichten, Dichtungen oder Verkleidungen modellieren. Für solche Schichten können unterschiedliche Annahmen getroffen werden, die von vollständiger 3D-Darstellung bis hin zu nur in der Ebene liegenden Dehnungen reichen. Wenn Sie das Composite Materials Module in Verbindung mit dem Structural Mechanics Module verwenden, um diese Modelle zu implementieren, können die Randmaterialien sogar mehrschichtig sein. Das bestehende Modell Heating Circuit ist ein Beispiel für diese neue Ergänzung.
Physik-Interface für Drähte
Es wurde ein neues Interface Wire für die Analyse von Systemen aus Kabeln oder Drähten hinzugefügt, die separat oder in Verbindung mit anderen Arten von Strukturen durchgeführt werden können. Die Drähte können vorgespannt sein oder unter Eigengewicht durchhängen. Sie können diese neue Funktionalität in dem neuen Tutorial-Modell Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads und in den folgenden bestehenden Modellen sehen:
Kräfte in einem Gitter aus Drähten unter einer Schwerkraftbelastung, wenn die Stützpunkte nach innen verschoben werden. Ein Teil des Gitters kommt auf einer starren Oberfläche zur Ruhe.
Multiphysik-Interfaces für die Dünnschichtdämpfung
Es wurden zwei neue Multiphysik-Interfaces für Dünnschichtdämpfung hinzugefügt: Solid Thin-Film Damping und Shell Thin-Film Damping. Sie kombinieren ein Thin-Film Flow Interface mit Solid Mechanics bzw. Shell. Außerdem gibt es zwei neue Multiphysik-Kopplungen, die die Dünnschichtdämpfung erleichtern: Structure Thin-Film Flow Interaction und Shell Thin-Film Flow Interaction. Diese Kopplungen sind nicht auf die Dünnschichtdämpfung beschränkt. Sie können sie auch verwenden, um beispielsweise Schmierung und Kavitation zu modellieren.
Knick-Analyse mit Eigenlasten
Bei der Suche nach einer kritischen Knicklast gibt es einige Situationen, in denen es mehr als ein System von Lasten gibt und eine von ihnen als feststehend betrachtet werden kann. Zum Beispiel kann eine Schwerkraftlast als feststehend betrachtet werden, während eine Nutzlast als nicht feststehend betrachtet werden kann. Selbst wenn Sie nur den kritischen Wert einer Nutzlast berechnen möchten, hat die Eigenlast immer noch einen Einfluss auf das Risiko des Knickens. Diese Art der Analyse ist jetzt integriert und in dem neuen Modell Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads zu sehen.
Verschleiß für Schalen und Membranen
Ähnlich wie die Funktionalität, die bereits im Interface Solid Mechanics verfügbar ist, wurde der Unterknoten Wear zu den Interfaces Shell und Membrane hinzugefügt. Mit dieser Funktion ist es möglich, den Verschleiß zu berechnen, der die Dicke von Schalen und Membranen aufgrund von Reibungsgleiten verringert. Die gleiche Technologie ermöglicht es, benutzerdefinierte Ausdrücke für die Rate der Dickenänderung hinzuzufügen, was zum Beispiel zur Modellierung von Korrosion oder galvanischer Abscheidung verwendet werden kann.
Verschleiß auf einer Schalenoberfläche aufgrund von Reibung eines zylindrischen Festkörpers. Für die Visualisierung wird ein Shell-Datensatz verwendet, wodurch der Eindruck ensteht, dass beide Teile 3D-Volumenkörper sind.
Neue Methode für das Verbinden von Baugruppen
Die Nitsche-Methode wurde hinzugefügt, um die Kontinuität zwischen Rändern in Baugruppen zu erzwingen. Sie hat zwei wichtige Vorteile im Vergleich zu den klassischen punktweisen Beschränkungen:
- Sie verursacht deutlich weniger lokale Störungen in der Lösung, wenn die Netze auf den beiden Seiten nicht konform sind.
- Da keine Beschränkungen hinzugefügt werden, entfällt der numerisch sensible und manchmal rechenintensive Schritt zur Eliminierung von Beschränkungen.
Verbesserungen für Component Mode Synthesis
Es ist jetzt möglich, Schalenelemente in Component Mode Synthesis (CMS) Analysen zu verwenden. Außerdem gibt es mehrere allgemeine Verbesserungen, die das Einrichten von Modellen für CMS-Analysen erleichtern.
Base Excitation
Es ist üblich, dass die dynamische Belastung einer Struktur aus einer bestimmten Beschleunigung aller Stützpunkte besteht. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Teil zu Testzwecken auf einem Rütteltisch befestigt wird oder wenn ein Gebäude einer Bodenbeschleunigung mit langer Wellenlänge ausgesetzt ist. Diese Art der Belastung kann jetzt mit der neuen Funktion Base Excitation natürlicher beschrieben werden. Sie eignet sich gut für die Analyse von Zufallsvibrationen. Sie können diese Neuerung in den bestehenden Modellen Shock Response of a Motherboard und Random Vibration Test of a Motherboard sehen.
Angabe von resultierenden Lasten
Für Randlasten und Sätze von Punktlasten können Sie jetzt die Gesamtkraft und das Gesamtmoment in Bezug auf einen bestimmten Punkt angeben, indem Sie die Option Resultant aus der Liste Load type auswählen. Dies erleichtert die Anwendung von resultierenden Lasten, ohne dass Sie künstliche Beschränkungen auferlegen oder lange Berechnungen der tatsächlichen Lastverteilungen durchführen müssen. Es ist möglich, die angenommene Form der Lastverteilung zu steuern.
Eine Biegelast, die als Momentresultante gegeben ist, wird auf das Ende eines Trägers aufgebracht, der als 3D-Volumen modelliert ist. Die tatsächliche Lastverteilung wird durch Pfeile dargestellt.
Auswertung von Schweißnähten
Bei geschweißten Strukturen ist die Möglichkeit, die Spannungen in den Schweißnähten vorherzusagen, ein wichtiger Designaspekt. Im Interface Shell können Sie jetzt die Spannungen entlang der Schweißnähte berechnen. Die Methode ist semianalytisch in dem Sinne, dass die Schweißnaht nicht in der Geometrie modelliert, sondern durch ihre Eigenschaften dargestellt wird. Es können sowohl einseitige und Doppelkehlnähte, als auch Stumpfnähte ausgewertet werden.
Neue Eingaben für anisotrope Materialien
Für das Feature Linear Elastic Material wurden mehrere neue Optionen für die Eingabe von elastischen Konstanten hinzugefügt:
- Orthotrope Materialien können jetzt durch Kristalldaten für sieben verschiedene Arten von Kristallsystemen beschrieben werden: kubisch, hexagonal, trigonal mit sechs Konstanten, trigonal mit sieben Konstanten, tetragonal mit sechs Konstanten, tetragonal mit sieben Konstanten und orthorhombisch.
- Eingabe für transversal isotrope Materialien wird unterstützt, wodurch sich die Anzahl der Eingaben für diese Klasse von Materialien verringert.
- Ein allgemeines anisotropes Material kann jetzt zusätzlich zur Elastizitätsmatrix auch durch seine Compliance-Matrix dargestellt werden.
Verbesserungen für Rigid Connector
Der Rigid Connector ist ein wichtiges Werkzeug für die abstrakte Modellierung, zum Beispiel bei der Anwendung von Lasten und der Verbindung von Objekten. Seine Funktionalität wurde in dreierlei Hinsicht erweitert:
- Es ist jetzt möglich, ausgewählte Freiheitsgrade zu entkoppeln, zum Beispiel in Richtungen, die durch ein lokales Koordinatensystem vorgegeben sind. Mit dieser Option ist es möglich, übermäßige Beschränkungen aufzuheben und lokale Spannungskonzentrationen zu reduzieren.
- Bei starren Zweipunkt-Verbindungen in 3D ist es möglich, die potentielle Rotationssingularität automatisch zu unterdrücken.
- Als neue Voreinstellung werden die Freiheitsgrade, die durch starre Verbindungen erzeugt werden, jetzt in der Studiensequenz gruppiert. Dies kann die Anzahl der Knoten im Modellbaum drastisch reduzieren und erleichtert die manuelle Skalierung für die Konvergenztoleranz. Die gleiche Änderung gilt auch für die Funktion Attachment.
Verbesserungen für die Analyse von Rohren
Für die Analyse von Rohren sind die folgenden Updates verfügbar:
- Im Interface Pipe Mechanics können Sie jetzt Korrekturfaktoren für Flexibilität und Spannungen in Rohrbiegungen angeben.
- Sie können jetzt eine reduzierte Wandstärke für die Spannungsbewertung angeben. Diese Funktionalität kann verwendet werden, um eine Korrosionstoleranz zu berücksichtigen.
- In den Bauteilbibliotheken wurde eine Reihe von parametrisierten Geometrien für Rohre hinzugefügt: gerades Rohr, Biegung, Reduzierstück und T-Abzweigung. Diese Geometrien können für eine detaillierte Analyse mit Volumen- oder Schalenelementen verwendet werden. Solche 3D-Modelle können über eine vorhandene Kopplung direkt mit dem Interface Pipe Mechanics verbunden werden.
Ergebnisse in lokalen Koordinatensystemen
Es ist jetzt ganz einfach, eine beliebige Anzahl von lokalen Koordinatensystemen zu definieren, indem Sie Local System Results Knoten für die Auswertung gängiger Größen in den Structural Mechanics Interfaces hinzufügen. Unter den verfügbaren transformierten Größen finden Sie Spannungen, Dehnungen, Verschiebungen und Materialeigenschaften.
Begrenzung der Verschiebung im Interface Truss
Sowohl im Interface Truss als auch im neuen Interface Wire ist es möglich, die Verschiebung auf einen bestimmten Wert für einen Punkt oder eine ganze Linie zu begrenzen. Die Randbedingung Limited Displacement kann verwendet werden, um eine Situation zu modellieren, in der eine Wand oder ein Stützpunkt angenähert wird.
Axiale Kräfte in einem Fachwerk unter zunehmender Last. Die vertikale Verschiebung ist für zwei Punkte begrenzt, wie durch die schwarzen Kreise angezeigt. Die Verformung ist um den Faktor 100 vergrößert.
Standard-Querschnitte für Fachwerkelemente
Im Interface Truss wurde der Knoten Cross-Section Data um eine Option zur Definition des Elementquerschnitts durch geometrische Eigenschaften erweitert. Die verfügbaren Querschnitte sind: Rectangle, Box, Circular, Pipe, H-profile, U-profile, T-profile, C-profile, und Hat. Sie können sich diese Funktion in dem neuen Tutorial-Modell Truss Tower Buckling und in den folgenden bestehenden Modellen ansehen:
Fracture Randbedingung für elastische Wellen
Die neue Randbedingung Fracture, die im Physik Interface Elastic Waves, Time Explicit verfügbar ist, wird verwendet, um zwei elastische Gebiete mit unvollkommener Bindung zu behandeln. Die Spalte kann eine dünne elastische Schicht, eine mit einem Fluid gefüllte Schicht, oder eine Diskontinuität in elastischen Materialien (ein innerer Rand) sein. Es gibt mehrere Optionen, um die Eigenschaften des dünnen elastischen Gebiets zu definieren. Typische Anwendungen sind die Modellierung der zerstörungsfreien Prüfung, zum Beispiel die Untersuchung der Reaktion von Delaminationsbereichen oder anderen Defekten, oder die Modellierung der Wellenausbreitung in gebrochenen festen Medien in der Öl- und Gasindustrie.
Vordefinierte Plots
Die allgemeine Funktionalität für vordefinierte Plots hat zu umfangreichen Aktualisierungen der Structural Mechanics Interfaces geführt. Ein vordefinierter Plot ähnelt einem Standardplot, jedoch mit dem wichtigen Unterschied, dass er dem Model Builder erst dann hinzugefügt wird, wenn der Nutzer ihn auswählt. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Standardplots, die für jede Studie generiert werden, erheblich reduziert werden konnte.
Darüber hinaus erwarten den Nutzer die folgenden zwei Verbesserungen:
- Mehrere neue nützliche Plots sind jetzt über das Menü Add Predefined Plot verfügbar, zusätzlich zu den Standardplots der vorherigen Versionen.
- Ergebnisplots für Zwischenschritte der Studie – zum Beispiel der Belastungsschritt in einer dynamischen Analyse mit Vorspannung – sind direkt verfügbar.
Scherkraft- und Moment-Diagramme für Balken
Eine gängige Methode zur Darstellung der Verteilung von Biegemomenten und Querkräften in Balkenstrukturen sind Scherkraft- und Biegemoment-Diagramme, die über die Geometrie gezeichnet werden. Im Interface Beam wurde eine Funktion zum Zeichnen von Moment- und Scherkraft-Diagrammen hinzugefügt. Selbst bei verteilten Lasten sind die Diagramme netzunabhängig, d.h. die Auswirkung der Lastvariation über das Element wird berücksichtigt. Die Schnittkraft-Diagramme können auch in dynamischen Analysen verwendet werden, bei denen die Belastung teilweise aus Trägheitskräften besteht.
Neue Teile für die Homogenisierung von Mikrostrukturen
In den Bauteilbibliotheken wurde dem Zweig COMSOL Multiphysics ein neuer Ordner namens Representative Volume Elements hinzugefügt. Er enthält zahlreiche parametrisierte Geometrien für gängige Mikrostrukturen, wie zum Beispiel Fasern, Poren und teilchenförmige Verbundstoffe. Diese Geometrien können für die Berechnung der effektiven Materialeigenschaften mit der Methode der repräsentativen Volumenelemente (RVE) verwendet werden. Die neuen Modelle Homogenized Material Properties of Periodic Microstructures und Micromechanical Model of a Particulate Composite verdeutlichen diese neue Ergänzung.
Neue Tutorial-Modelle
COMSOL Multiphysics® Version 6.1 enthält mehrere neue Tutorial-Modelle für das Structural Mechanics Module.
Nonlinear Harmonic Response
Application Library Titel:
nonlinear_harmonic
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Bracket — Reduced-Order Modeling
Application Library Titel:
bracket_rom
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Self-Contact of a Loaded Spring
Application Library Titel:
loaded_spring_contact
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Torsion of an Isotropic Cosserat Elastic Cylinder
Application Library Titel:
cosserat_torsion
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Micromechanical Model of a Particulate Composite
Application Library Titel:
micromechanical_model_of_a_particulate_composite
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Linear Buckling Analysis of a Truss Tower With Dead Loads
Application Library Titel:
truss_tower_buckling_guys
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