Structural Mechanics Module

Erstellen Sie mechanische Analysen mit umfassenden Multiphysik-Möglichkeiten.

Das Structural Mechanics Module, ein Add-On zur COMSOL Multiphysics®-Plattform, ist ein FEA-Softwarepaket, das auf die Analyse des mechanischen Verhaltens von Festkörperstrukturen zugeschnitten ist. Das Modul bietet Ihnen Modellierungswerkzeuge und Funktionalität für Festkörpermechanik, Dynamik und Schwingungen, Materialmodellierung, Schalenelemente, Balken, Kontakt, Risse und mehr. Zu den Anwendungsbereichen gehören Maschinenbau, Bauwesen, Geomechanik, Biomechanik und MEMS-Komponenten.

Das Structural Mechanics Module bietet integrierte Multiphysik-Kopplungen, die thermische Spannungen, Fluid-Struktur-Interaktion und Piezoelektrizität umfassen. Die Kombination mit anderen Modulen aus der COMSOL-Produktpalette ermöglicht anspruchsvolle Effekte in den Bereichen Wärmetransport, Strömung von Fluiden, Akustik und Elektromagnetik. Darüber hinaus können Sie Ihre Modellierung um spezielle Materialmodellierungs- und CAD-Importfunktionen erweitern.

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Ein Rohrverbindungsmodell, das die Spannung an einer Schraube in Regenbogenfarben zeigt.

Führen Sie verschiedenste Strukturanalysen durch

Für die Vorhersage der Strukturperformance in einer virtuellen Umgebung stehen mehrere Analysetypen zur Verfügung. Mit dem Structural Mechanics Module können Sie Fragen zu Spannungs- und Dehnungsniveaus, Verformungen, Steifigkeit und Nachgiebigkeit, Eigenfrequenzen, Reaktion auf dynamische Lasten und Knickinstabilität beantworten, um nur einige zu nennen.

Structural Mechanics Module Analysen

  • Statik
  • Eigenfrequenz
    • Ungedämpft
    • Gedämpft
    • Vorgespannt
  • Transient
    • Direkt oder Modenüberlagerung
  • Frequenzgang
    • Direkt oder Modenüberlagerung
    • Vorgespannt
  • Geometrische Nichtlinearität und große Verformungen
  • Mechanischer Kontakt
  • Knickung
  • Antwortspektrum
  • Zufallsvibrationen

Allgemeine Analysen

Eine 1D-Darstellung einer parametrischen Analyse mit der Verschiebung auf der y-Achse und der Kraftrichtung auf der x-Achse.
Parametrische Analyse

Berechnen Sie ein Modell mit unterschiedlichen Eingabeparametern, um die Ergebnisse zu vergleichen.

Eine Nahaufnahme zweier Halterungsmodelle, die die ursprüngliche Geometrie und die endgültige optimierte Geometrie zeigen.
Optimierung

Optimieren Sie geometrische Abmessungen, Form, Topologie und andere Größen mit dem Optimization Module.

Ein 2D-Sobol-Index-Diagramm mit den Ergebnissen von sieben Parametern.
Quantifizierung von Unsicherheiten

Verstehen Sie die Auswirkungen von Modellempfindlichkeit, Unsicherheit und Zuverlässigkeit mit dem Uncertainty Quantification Module.

Finite Elemente

Das Structural Mechanics Module bietet eine vollständige Palette von Modellierungswerkzeugen für die verschiedenen Arten von Strukturanalysen. Auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode können nicht nur 3D-Körper modelliert werden, sondern auch 2D-Formulierungen (ebene Spannung, ebene Dehnung, verallgemeinerte ebene Dehnung und axiale Symmetrie). Ebenso gibt es Funktionen für Schalen und Platten, Membranen, Balken, Rohre, Fachwerk und Kabel sowie für Übergänge zwischen all diesen verschiedenen Formulierungen.

Für die Modellierung von 3D-Volumenkörpern gibt es viele Optionen für die Elementformen und -ordnungen. Es sind Dreieck-, Viereck-, Tetraeder-, Sechseck-, Prismen- und Pyramidenelemente verfügbar. Sie haben die Wahl zwischen Elementen erster, zweiter und höherer Ordnung und für Multiphysik-Analysen auch zwischen Elementen gemischter Ordnung.

Features und Funktionalitäten im Structural Mechanics Module

Das Structural Mechanics Module bietet spezielle Features und Funktionalitäten für die Durchführung verschiedenster Strukturanalysen und fügt sich nahtlos in die COMSOL Multiphysics® Plattform ein, um einen konsistenten Workflow bei der Modellerstellung zu gewährleisten.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Solid Mechanics (Festkörpermechanik) und einem Rohrverbindungsmodell im Grafikfenster.

Festkörpermechanik

Die Optionen für die Modellierung der Festkörpermechanik umfassen vollständiges 3D, 2D (ebene Spannung, ebene Dehnung und verallgemeinerte ebene Dehnung) und axiale 2D-Symmetrie und bieten den allgemeinsten Ansatz für die Analyse von Festkörperstrukturen mit integrierten Multiphysik-Kopplungen zu einer großen Anzahl von Physikbereichen. Es steht eine Vielzahl von Materialmodellen zur Verfügung, um Ihr festkörpermechanisches Problem genau zu beschreiben, und es ist einfach, diese Funktionen durch gleichungsbasierte Modellierung zu erweitern. Definieren Sie selbst Materialeigenschaften mit konstanten, räumlich variierenden, anisotropen oder nichtlinearen Ausdrücken, Referenztabellen oder Kombinationen aus diesen. Elemente können auf der Grundlage von benutzerdefinierten Ausdrücken aktiviert und deaktiviert werden.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für die Solid-Shell-(Festkörper-Schale-)Verbindung und ein Halterungsmodell im Grafikfenster.

Schalen und Membranen

Für dünne Strukturen kann die Verwendung von Schalen- (3D, 2D Achsensymmetrie) und Plattenelementen (2D) sehr effizient sein. Die Formulierungen ermöglichen die für die Modellierung dicker Schalen erforderlichen transversalen Scherverformungen. Sie können einen Versatz in der Richtung normal zu einer ausgewählten Oberfläche vorgeben, was die Modellierung vereinfacht, wenn Sie mit einer vollständigen 3D-Darstellung der Geometrie arbeiten. Die Ergebnisse von Schalenelementanalysen können als Vollkörperdarstellung präsentiert werden.

Sehr dünne Strukturen, wie z. B. dünne Folien und Gewebe, erfordern eine Formulierung ohne Biegesteifigkeit. Dies ist mit dem Interface Membrane (Membran) möglich, in dem gekrümmte, ebene Spannungselemente in 3D- oder 2D-Achsensymmetrie verwendet werden, um Verschiebungen in der Ebene und aus der Ebene heraus zu berechnen, einschließlich der Auswirkungen der Faltenbildung. Bei der Untersuchung dieser Art von Strukturen wird die Möglichkeit, von einem vorgespannten Zustand auszugehen, ausgiebig genutzt.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Elastic Waves, Time Explicit (Elastische Wellen, zeitexplizit) und einem Modell der Erde im Grafikfenster.

Elastische Wellen

Modellieren Sie die Ausbreitung elastischer Wellen in isotropen, orthotropen, anisotropen und piezoelektrischen Festkörpern für ein- oder multiphysikalische Anwendungen, wie z. B. Schwingungskontrolle, zerstörungsfreie Prüfung (NDT) oder mechanisches Feedback. Die Anwendungsbereiche reichen von mikromechanischen Problemen bis hin zur seismischen Wellenausbreitung.

Das Interface Solid Mechanics (Festkörpermechanik) verwendet eine vollständige strukturdynamische Formulierung, welche die Auswirkungen von Scherwellen und Druckwellen in Festkörpern berücksichtigt und elastische Wellen analysiert. Mechanische Port-Bedingungen können zur Anregung und Absorption von Ausbreitungsmoden in Wellenleiterstrukturen und zur Berechnung der Streumatrix eines Bauteils verwendet werden. Absorbierende Randbedingungen und PMLs (Perfect Matched Layers) ermöglichen die effiziente Modellierung unbegrenzter Bereiche.

Das Interface Elastic Waves, Time Explicit (Elastische Wellen, zeitexplizit) ist für transiente lineare elastische Wellenausbreitungsprobleme über große Gebiete mit vielen Wellenlängen bestimmt. Das Interface verwendet eine zeitlich explizite dG-FEM-Methode höherer Ordnung. Das Interface ist multiphysikfähig und kann nahtlos mit Fluiden gekoppelt werden.

Eine Nahaufnahme der Viskoelastizitätseinstellungen und eines Dämpfermodells im Grafikfenster.

Materialmodelle

Das Structural Mechanics Module bietet lineare elastische, viskoelastische und piezoelektrische Materialmodelle, aber Sie können auch auf eine breite Palette nichtlinearer Materialmodelle, einschließlich hyperelastischer und elastoplastischer, zugreifen, indem Sie das Nonlinear Structural Materials Module oder Geomechanics Module hinzufügen.

Darüber hinaus gibt es viele Möglichkeiten, die vorhandenen Materialmodelle zu erweitern oder eigene Modelle zu erstellen. Geben Sie Ausdrücke, die von Spannung, Dehnung, Raumkoordinaten, Zeit oder Feldgrößen aus anderen physikalischen Interfaces abhängen, direkt in das Eingabefeld für eine Materialeigenschaft ein. Bei Analysen im Frequenzbereich können Sie komplexwertige Ausdrücke eingeben. Sie können zum Beispiel benutzerdefinierte Differentialgleichungen hinzufügen, um inelastische Dehnungsbeiträge bereitzustellen.

Die Materialmodelle können thermische Ausdehnung, hygroskopische Quellung, Anfangsspannungen und -dehnungen sowie verschiedene Arten von Dämpfung berücksichtigen. Die Materialeigenschaften können isotrop, orthotrop oder vollständig anisotrop sein. Sie können Ihr eigenes Materialmodell einfügen, indem Sie externe, in der Programmiersprache C kodierte Funktionen bereitstellen.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Boundary Load und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Lasten und Constraints

Das Structural Mechanics Module bietet Ihnen eine Vielzahl von verschiedenen Lasten und Constraints, die eine realitätsnahe Modellierung ermöglichen. Sie können verteilte Lasten auf Gebieten, Rändern und Kanten, sowie folgende Lasten und bewegte Lasten definieren. Darüber hinaus ist es möglich eine Gesamtkraft anzugeben, die Schwerkraft oder zusätzliche Masse, sowie rotierende Rahmen mit Zentrifugal-, Coriolis- und Euler-Kräften zu berücksichtigen.

Zur eindeutigen Definition des Modells stehen Federn und Dämpfer zur Verfügung sowie vorgegebene Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Periodische Randbedingungen, schwach reflektierende Ränder, perfekt absorbierende Schichten (PMLs) und infinite Elemente helfen bei der Reduzierung der Modellgröße für eine effiziente Modellierung.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Displacement und einem Stahlrahmenmodell im Grafikfenster.

Dynamik und Schwingungen

Das Structural Mechanics Module umfasst sowohl transiente als auch Analysen im Frequenzbereich. Die Analyse im Frequenzbereich umfasst Eigenfrequenz-, gedämpfte Eigenfrequenz- und Frequenzsweep-Analysen. Darüber hinaus sind spezielle Studientypen für die Analyse von Random Vibration und Response Spectrum verfügbar. Die Random Vibration Analyse ermöglicht Eingaben auf der Grundlage der Leistungsspektraldichte (PSD) als Funktion der Frequenz, einschließlich unkorrelierter und vollständig korrelierter Lasten. Ein typisches Beispiel ist die Windlast auf einem Turm. Die Response Spectrum Analyse wird als effiziente Methode zur Bestimmung der Strukturreaktion auf kurze, nicht-deterministische Ereignisse wie Erdbeben und Erschütterungen eingesetzt.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit hervorgehobenem Knoten Cross-Section Data und einem Fachwerkturmmodell im Grafikfenster.

Balken, Rohre und Fachwerke

Es gibt spezielle Elementtypen für die Modellierung von Balken, die durch ihre Querschnittseigenschaften beschrieben werden. Es sind sowohl Formulierungen für schlanke Balken (Euler-Bernoulli-Theorie) als auch für dicke Balken (Timoshenko-Theorie) verfügbar. Vordefinierte Kopplungen ermöglichen es, Balken mit anderen Elementtypen zu mischen, um Bewehrungen für Massiv- und Schalentragwerke zu untersuchen. Eine Bibliothek mit gängigen Querschnittstypen ist ebenso verfügbar wie die Möglichkeit, allgemeine Querschnitte zu modellieren.

Darüber hinaus ermöglicht das Structural Mechanics Module die Modellierung schlanker Strukturen, die nur axiale Kräfte aufnehmen können (Fachwerke). Diese Elemente können auch für die Modellierung von durchhängenden Kabeln und Bewehrungen verwendet werden.

Die Strukturanalyse von Rohren ähnelt der von Balken, allerdings kommt ein Innendruck hinzu, der in der Regel erheblich zu den Spannungen in einem Rohr beiträgt. Außerdem treten Temperaturgradienten in der Regel durch die Rohrwand und nicht über den gesamten Querschnitt auf. Die Belastungen durch Innendruck und Widerstandskräfte können direkt aus den Ergebnissen einer Rohrströmungs- und thermischen Analyse mit dem Pipe Flow Module übernommen werden.

Eine Nahaufnahme der Kontakteinstellungen und eines Bogenmodells im Grafikfenster.

Kontakt und Reibung

In mechanischen Simulationen treten häufig Situationen auf, in denen Objekte miteinander in Kontakt kommen. Statische und dynamische Analysen können die Modellierung von Kontakten beinhalten, und die sich berührenden Objekte können beliebig große Relativverschiebungen aufweisen. Zusätzlich können die Auswirkungen von Reibung, sowohl Haften als auch Gleiten, modelliert werden.

Die Funktionalität der Kontaktanalyse umfasst auch die Möglichkeit, Adhäsion und Dekohäsion zwischen den sich berührenden Objekten zu definieren und den Materialabtrag durch Verschleiß zu modellieren, wenn die Objekte relativ zueinander gleiten.

Eine Nahaufnahme der Damage Einstellungen und ein gekerbtes Balkenmodell im Grafikfenster.

Bruchmechanik

Für die Rissmodellierung gibt es mehrere unterschiedliche Ansätze. Ein Riss kann entweder unendlich dünn sein und durch eine einzigen Rand oder durch nicht verbundene Ränder in der Geometrie dargestellt werden. Ein Riss kann eine beliebige Anzahl von Verzweigungen und entsprechenden Rissfronten haben.

J-Integrale und Spannungsintensitätsfaktoren können in 2D und 3D berechnet werden. Sie können auch eine Last auf den Rissrändern vorgeben.

Durch Hinzufügen des Nonlinear Structural Materials Module oder des Geomechanics Module können Sie Schädigung und Rissbildung in spröden Materialien nach verschiedenen Kriterien modellieren.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für den Schraubenkontakt und ein Lagerdeckelmodell im Grafikfenster.

Engineering-Funktionen

Im Modul Strukturmechanik finden Sie mehrere Funktionen für den Maschinenbau, mit welchen Sie schneller reale Modelle erstellen können. Zu diesen Funktionen gehören Randbedingungen wie Rigid Connector für die Modellierung starrer Regionen und kinematischer Zwänge, Schrauben mit Vorspannung, Spannungslinearisierung für die Analyse von Druckbehältern und mehr.

  • Starrer Verbinder
  • Starrer Bereich
  • Automatische Handhabung von RBE2-Elementen aus NASTRAN® Import
  • Schraubenvorspannung
  • Modellierung des Schraubenkontakts
  • Spannungslinearisierung
  • Ausdrücke für Sicherheitsfaktoren
  • Berechnung von Schnittkräften in einem Schnitt durch einen Körper
  • Lastfälle
  • Überlagerung von Lastfällen
  • Berechnung der effektiven Materialeigenschaften
    • Verwendung von repräsentativen Volumenelementen (RVE)

Add-On Module zu dem Structural Mechanics Module

Spezialisierte Analysen, vollständig integriert in die COMSOL Multiphysics® Softwareumgebung.

Das Nonlinear Structural Materials Module und das Geomechanics Module erweitern die Funktionalität des Structural Mechanics Module um mehr als 100 verschiedene nichtlineare Materialmodelle.

Fügen Sie das Composite Materials Module hinzu, um dünne, geschichtete Strukturen (Verbundwerkstoffe) zu analysieren, wie z. B. faserverstärkte Kunststoffe, laminierte Platten und Sandwich-Paneele, die in Flugzeugkomponenten, Windturbinenflügeln, Automobilkomponenten und mehr verwendet werden.

Fügen Sie das Fatigue Module hinzu, um die Ermüdungslebensdauer von Strukturen zu berechnen: Hochzyklische Ermüdung, basierend auf Spannung, und niedrigzyklische Ermüdung, basierend auf Dehnung oder Energie. Es gibt Funktionen für die Zählung von Rainflow-Zyklen, kumulative Schäden sowie multiaxiale und Schwingungsermüdung.

Fügen Sie das Rotordynamics Module hinzu, um rotierende Maschinen zu modellieren, bei denen Asymmetrien zu Instabilitäten und schädigenden Resonanzen führen können. Bauen Sie Rotorkomponenten mit Scheiben, Lagern und Fundamenten und analysieren Sie die Ergebnisse mit Campbell-Diagrammen, Orbits, Waterfall Plots und Whirl Plots.

Importieren von Designs aus CAD-Software von Drittanbietern

Wählen Sie aus einer Reihe von Schnittstellenprodukten für die Verbindung mit COMSOL Multiphysics®.

Mit dem CAD Import Module können Sie eine Vielzahl von CAD-Formaten, die dem Industriestandard entsprechen, zur Simulationsanalyse in COMSOL Multiphysics® importieren. Zu den verfügbaren Funktionen gehören Optionen zum Reparieren und Bereinigen Ihrer CAD-Geometrie, um sie für die Vernetzung und Analyse vorzubereiten, sowie der Zugriff auf den Parasolid® Geometriekernel für erweiterte Solid-Optionen. Das Design Module enthält ebenfalls diese Funktionen und ermöglicht darüber hinaus die Durchführung der folgenden 3D-CAD-Operationen: Loft, Fillet, Chamfer, Midsurface, und Thicken.

Wählen Sie aus einer Reihe von Interfacing Products, bekannt als LiveLink™ Produkte, mit denen Sie das CAD-native Modell für die Verwendung in der COMSOL® Software synchronisieren können. Sie können auch gleichzeitig Geometrieparameter im CAD-System und in COMSOL Multiphysics® aktualisieren sowie parametrische Sweeps und Optimierungen über mehrere verschiedene Modellierungsparameter durchführen.

Multiphysik-Kopplungen für erweiterte Strukturmechanik-Analysen

Kombinieren Sie auf einfache Weise zwei oder mehr physikalische Interaktionen, und zwar in derselben Softwareumgebung.

Eine Nahaufnahme des Temperaturfeldes eines Turbinenstatormodells.

Thermische Spannungen

Thermische Spannungen und Ausdehnungen bei einem gegebenen oder berechneten Temperaturfeld in Festkörpern und Schalen.

Eine Nahaufnahme eines Multiphysik-Beispiels für die Modellierung von Aluminium-Strangpressprofilen unter Berücksichtigung von FSI und thermischen Spannungen.

Fluid–Struktur-Interaktion (FSI)

Einseitige oder zweiseitige Kopplungen zwischen einem Fluid und einer festen Struktur, einschließlich Fluiddruck und viskoser Kräfte.

Eine Nahaufnahme der Eigenspannungen eines Stirnradmodells.

Metal Processing1

Spannungen und Dehnungen von phasenzusammensetzungsabhängigen Werkstoffen beim Abschrecken von Stahl und anderen Wärmebehandlungsverfahren.

Eine Nahaufnahme des Differentialgetriebes eines Modells.

Mehrkörperdynamik2

Ein umfangreicher Satz von Tools zur Simulation von gemischten Systemen aus flexiblen und starren Körpern.

Eine Nahaufnahme eines piezoelektrischen Aktuatormodells, das die Verformung und die Auslenkung der Spitze zeigt.

Piezoelektrizität

Piezoelektrische Geräte mit metallischen und dielektrischen Komponenten.

Nahaufnahme eines piezoakustischen Wandlermodells mit Darstellung des Schalldrucks.

Akustik–Struktur-Interaktion3

Festkörper-Akustik, Akustik-Schale und piezo-akustische Wechselwirkungen sowie Schwingungen und elastische Wellenausbreitung.

Nahaufnahme eines Multilateralbohrungmodells, das den Betrag der Verschiebung zeigt.

Poroelastizität4

Strömung poröser Medien gekoppelt an Festkörpermechanik zur Modellierung poroelastischer Effekte.

Nahaufnahme eines Drucksensormodells, das den Betrag der Verschiebung zeigt.

Hygroskopische Quellung

Absorption von Feuchtigkeit und hygroskopisches Quellen in Polymeren und Batterien.

Nahaufnahme eines Mikrospiegelmodells, welche die Verformung und das Netzvolumen zeigt.

MEMS5

Piezoresistivität, elektromechanische Auslenkung aufgrund elektrostatischer Kräfte und Elektrostriktion.

Nahaufnahme eines magnetostriktiven Wandlermodells mit Darstellung der Spannung, der Verschiebung und des Magnetfelds.

Electromagnetische Materialien6

Magnetostriktive, elektrostriktive und ferroelektrische elastische Bauteile.

Nahaufnahme eines sich erwärmenden Leiters, das die Spannung und Verformung zeigt.

Niederfrequente Elektromagnetik6

Verformungen in elektronischen Geräten und Elektromotoren aufgrund von elektromagnetischen Kräften.

Nahaufnahme eines Hohlleiterfiltermodells, das die Temperatur und die thermischen Spannungen zeigt.

HF- und Mikrowellenkomponenten7

Mechanische Verformung und Spannung, die die Leistung von RF und Mikrowellengeräten und Komponenten wie Filter beeinflussen.

Nahaufnahme eines photonischen Wellenleiters, welcher den spannungsoptischen Effekt zeigt.

Spannungsoptische Effekte8

Spannungsinduzierte Doppelbrechung in Wellenleitern.

Nahaufnahme des Modells einer Petzval-Linse, welche die Strahlen in drei verschiedenen Winkeln zeigt.

STOP-Analyse9

Structural-thermo-optical Performance (STOP) Analyse von optischen Systemen.

  1. Erfordert zusätzlich das Metal Processing Module
  2. Erfordert zusätzlich das Multibody Dynamics Module
  3. Erfordert zusätzlich das Acoustics Module
  4. Erfordert zusätzlich das Porous Media Flow Module or Subsurface Flow Module
  5. Erfordert zusätzlich das MEMS Module
  6. Erfordert zusätzlich das AC/DC Module
  7. Erfordert zusätzlich das RF Module
  8. Erfordert zusätzlich das Wave Optics Module
  9. Erfordert zusätzlich das Ray Optics Module

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

Um vollständig beurteilen zu können, ob die COMSOL Multiphysics® Software Ihre Anforderungen erfüllt, können Sie uns kontaktieren. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie persönliche Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen helfen, das Beste aus Ihrer Evaluierung herauszuholen und die beste Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse zu wählen.

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