Structural Mechanics Module

Strukturmechanische Analysen

Structural Mechanics Module

Eigenfrequenzanalyse einer Pleuelstange. Die Abbildung zeigt den Torsionswinkel entlang der Pleuelstange bei niedrigster Eigenfrequenz.

Statische und dynamische (Zeit- oder Frequenzabhängig) strukturmechanische Analysen

Das Structural Mechanics Module ist speziell für die Analyse mechanischer Strukturen ausgelegt, auf die statische oder dynamische Lasten einwirken. Dieses Modul lässt sich für eine Vielzahl von Analysearten verwenden. Dazu zählen stationäre, zeitabhängige, parametrische und quasistatische Analysen sowie Eigenfrequenz-/Modalanalysen, Frequenzbereichs-, Beul- und Vorspannungsanalysen.

Zusatzmodule erweitern die strukturmechanischen Analysenfähigkeiten

Das Structural Mechanics Module enthält Interfaces für Analysen in 2D-, axialsymmetrischen und 3D-Koordinatensystemen für Festkörper, Schalen (3D), Platten (2D), Stäbe (2D, 3D), Membranen (2D axialsymmetrisch, 3D) und Balken (2D, 3D). Diese Interfaces ermöglichen Analysen großer Deformation mit geometrischer Nichtlinearität, mechanischem Kontakt, thermischer Dehnung sowie piezoelektrischer Materialien und der Fluid-Struktur-Wechselwirkung (Fluid-Structure Interaction, FSI). Für die Analyse nichtlinearer Materialien gibt es zwei Zusatzprodukte - das Nonlinear Structural Materials Module und das Geomechanics Module. Zur Bewertung der Lebensdauer können Sie das Zusatzprodukt Fatigue Module nutzen. Soll die Dynamik von flexiblen Körpern und Starrkörpern modelliert werden, ist das Zusatzprodukt Multibody Dynamics Module zu empfehlen. Strukturmechanische Analysen lassen sich durch Kombination des Structural Mechanics Module und COMSOL Multiphysics sowie anderen anwendungsspezifischen Modulen koppeln, um eine Vielzahl von multiphysikalischen Phänomenen abzubilden (z. B. Interaktion mechanischer Strukturen mit elektromagnetischen Feldern, Fluidströmung oder chemischen Reaktionen).


Weitere Bilder

  • Die Eigenfrequenzanalyse eines Impellers erfolgt anhand der Simulation von nur einem Blatt und mithilfe der integrierten periodischen Randbedingungen. Die Eigenfrequenzanalyse eines Impellers erfolgt anhand der Simulation von nur einem Blatt und mithilfe der integrierten periodischen Randbedingungen.
  • Transiente strukturmechanische Analyse eines Dämpfers aus viskoelastischem Material. Transiente strukturmechanische Analyse eines Dämpfers aus viskoelastischem Material.
  • Durch vorgespannte Bolzen entstehen Zugkräfte und dadurch Spannungen in einem Flansch. Durch vorgespannte Bolzen entstehen Zugkräfte und dadurch Spannungen in einem Flansch.
  • FSI - Anhand eines Solarpanels, auf das eine Windlast einwirkt, wird die gekoppelte Fluid- und strukturmechanische Analyse dargestellt. FSI - Anhand eines Solarpanels, auf das eine Windlast einwirkt, wird die gekoppelte Fluid- und strukturmechanische Analyse dargestellt.
  • Kontaktanalyse zwischen Kugellagern, Käfig und stark deformierter  Gummidichtung eines Gleichlaufgelenks. (Modell mit freundlicher Genehmigung von Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne (BS), Italien) Kontaktanalyse zwischen Kugellagern, Käfig und stark deformierter Gummidichtung eines Gleichlaufgelenks. (Modell mit freundlicher Genehmigung von Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne (BS), Italien)
  • Die Studie eines Rotorblattes zeigt, wie sich der Effekt der Verfestigung (Spannung) und Entfestigung (Drehen) auf die grundlegende Eigenfrequenz auswirkt. Die Studie eines Rotorblattes zeigt, wie sich der Effekt der Verfestigung (Spannung) und Entfestigung (Drehen) auf die grundlegende Eigenfrequenz auswirkt.

Materialmodelle

Das Structural Mechanics Module beinhalten grundlegende Materialmodelle wie z. B. linear elastische und viskoelastische Materialmodelle sowie orthotrope Materialien und Materialien mit Dämpfungseigenschaften. Sie können durch das Hinzufügen des Nonlinear Structural Materials Module und des Geomechanics Module erweitert werden. In dieser Konstellation können Sie große inelastische Dehnungen, hyperelastische Materialien, Plastizität, Kriechen, Viskoplastizität, Steine, Beton sowie auch Böden analysieren. Die große Flexibilität bei der Eingabe von benutzerdefinierten Materialien ist den benutzerfreundlichen Schnittstellen von COMSOL zu verdanken, die ein problemloses Eingeben von Gleichungen erlauben. Die einfache und direkte Eingabe der Zustandsgleichungen in der Benutzeroberfläche ersetzt die aufwändige Programmierung von Subroutinen. Dabei können Sie mathematische Ausdrücke mit Feldvariablen, Spannungs- und Dehnungsinvarianten und anderen abgeleiteten Größen angeben. Der Elastizitäts- Modul beispielsweise kann anstatt als Konstante auch als Funktion einer beliebigen Feldvariablen und deren Ableitungen angegeben werden. Materialeigenschafen können in Raum und Zeit variieren oder mittels komplexer Wertausdrücke beschrieben werden.

Lasten, Zwangsbedingungen und High-Performance Modellierungstools

Es steht eine Vielzahl von Lasten und Zwangsbedingungen zur Verfügung. Dazu zählen Gesamtkraft, Drucklasten, mitlaufende Lasten, Federn und Dämpfer, zusätzliche Masse, vorgeschriebene Verschiebung, Geschwindigkeit sowie Beschleunigung. Zum Modellieren dünner elastischer Schichten eignet sich die spezielle Thin Elastic Layer-Bedingung. Spezielle Gebiets- und Randbedingungen ermöglichen die Kombination starrer und flexibler Strukturen. Das Multibody Dynamics Module bietet weitere Funktionen für diesen Zweck. Modelle kleiner Strukturen, die in eine Trägerschicht elastischen Materials eingebettet sind (oder sich auf deren Oberfläche befinden), profitieren von einer Infinite-Elemente-Gebietsbedingung. Sie erlaubt die Trägerschicht hocheffizient als Ausschnitt zu modellieren, wobei das langsame Abklingen der Spannung in der Schicht ohne Genauigkeitsverlust abgebildet wird.

Festkörpermechanik

Die Strukturmechanik- Interfaces des Structural Mechanics Module stellen die Größen und Funktionen für Festigkeitsnachweise und allgemeine lineare und nichtlineare Festkörpermechanik zur Verfügung. Voreingestellt liegt der Berechnung ein linear elastisches Materialmodell zugrunde. Dieses kann leicht durch hyperelastische Materialmodelle (für die das Nonlinear Structural Materials Module erforderlich ist) und auch linear viskoelastische Materialmodelle ersetzt werden. Außerdem kann das elastische Materialmodell mit thermischer Ausdehnung, Dämpfung sowie Vorspannung und Vordehnung erweitert werden. Allgemeine inelastische Dehnungen können ganz einfach als zusätzliche Dehnungskomponenten definiert werden. Diese können sogar als Funktionen aller anderen physikalischen Feldgrößen von Elektromagnetik bis Fluidströmung angegeben werden. Elastische Materialien können mit isotropen, orthotropen oder vollständig anisotropen Eigenschaften angegeben werden. Jeder Materialkoeffizient kann als Konstante, Variable, Look-up Tabelle sowie als nichtlinearer Ausdruck beschrieben werden, der raum- und zeitabhängig variieren kann. COMSOL Multiphysics kann alle Ausdrücke interpretieren. Daher können Sie auch sehr anspruchsvolle Modellierungsaufgaben direkt in der COMSOL Desktop®-Umgebung umsetzen, ohne Erweiterungen programmieren zu müssen.

Große Deformation und mechanischer Kontakt

Das Structural Mechanics Module bietet Ihnen die Möglichkeit, große Deformationen mit geometrischer Nichtlinearität und mitlaufenden Lasten zu modellieren. Die Lasten können verteilt sein und auch von anderen physikalischen Größen wie elektromagnetische Kräfte und Strömungskräfte abhängen. Natürlich sind auch Simulationen mit mechanischem Kontakt verfügbar und multiphysik-fähig. Sie können zum Beispiel die Wärmestromdichte (mittels Heat Transfer Module) oder elektrische Ströme (mittels AC/DC Module) über Kontaktflächen hinweg berücksichtigen. Hier stehen mechanische Kontaktgrößen zur Verfügung, z. B. um Wärme- und Stromübertragung abhängig vom Kontaktdruck zu formulieren.

Schalen, Platten und Membranen

Für die mechanische Analyse dünnwandiger Strukturen sind Schalen auf Basis der Mindlin-Reissner-Theorie verfügbar. Dabei werden auch transversale Schubdeformationen berücksichtigt, sodass Sie auch dicke Schalen simulieren können. Außerdem kann die Referenzfläche der Schale versetzt zur Mittelfläche liegen. Das Schalen-Interface enthält noch weitere Funktionen wie Dämpfung, thermische Ausdehnung sowie Anfangsspannungen und -dehnungen. Die verfügbaren vorkonfigurierten Studien entsprechen den Studien des Festkörpermechanik-Interfaces. Das Platte-Interface ist dem Schalen-Interface ähnlich, arbeitet aber nur in einer Ebene und berücksichtigt Lasten in der Regel nur senkrecht zu ihr.

Mit dem Membran-Interface werden gekrümmte Flächen im 3D Raum modelliert, die sich in Normal- und Tangentialrichtungen verformen können, aber einen ebenen Spannungszustand aufweisen. Der Unterschied zwischen einer Schale und einer Membran liegt darin, dass die Membran keinerlei Biegesteifigkeit besitzt. Dieses Interface eignet sich zum Modellieren sehr dünner Strukturen wie z. B. Dünnfilme oder Gewebe.

Vibrationen, Akustik und elastische Wellen

Es stehen eine Reihe von Funktionen für Vibrationsanalysen zur Verfügung. Sie können optional mit dem Acoustics Module mit Akustik gekoppelt werden. Wenn Sie so das Structural Mechanics Module und das Acoustics Module miteinander kombinieren, haben Sie Zugriff auf ein spezialisiertes Tool für Akustik-Schalen-Wechselwirkung. Das Acoustics Module verfügt außerdem über zusätzliche Multiphysikinterfaces für Festkörper-Akustik- und Piezo-Akustik-Wechselwirkungen. Für elastische Wellen, die sich in einem Material ausbreiten, stellt das Structural Mechanics Module schwach reflektierende Randbedingungen und perfekt absorbierende Schichten bereit, auf denen eingehende elastische Wellen absorbiert werden. Diese Funktionen erlaubt Ihnen die einfache Simulation von elastischen Wellen, die sich von einer vibrierenden Struktur in relativ großen oder infiniten Medien ausbreiten.

Bewertung des Ermüdungsverhaltens

Wenn Sie Ihre strukturmechanischen Analysen um das Fatigue Module erweitern, können Sie strukturmechanische Berechnungen zur Materialermüdung vornehmen. Zur Verfügung steht sowohl die HCF-Methode (High-cycle fatigue) als auch die LCF-Methode (Low-cycle fatigue). Das Fatigue Module ist eng mit dem Structural Mechanics Module verknüpft, sodass Sie sowohl strukturmechanische und Lebensdauerberechnungen direkt in der COMSOL Desktop®-Umgebung durchführen können. Das Fatigue Module kann zusammen mit den Festkörpermechanik-, Schalen-, Platte- und Mehrkörperdynamik-Interfaces und mit den Physikinterfaces für thermische Ausdehnung, Joulsche Erwärmung mit thermischer Ausdehnung und piezoelektrische Bauteile verwendet werden.

Balken und Stäbe

Die Balkenelemente des Structural Mechanics Modules sind zur Analyse schlanker Strukturen gedacht, die vollständig über ihre Querschnittseigenschaften wie z. B. Flächeninhalt, Trägheitsmomente beschrieben werden. Sie werden zur Simulation von Tragwerken (planar oder 3D) verwendet, oder für die Analyse von Verstärkungen mit Festkörper oder Schalen gekoppelt betrachtet. Das Balken-Interface enthält eine Bibliothek von gängigen Querschnitten wie Rechteck, Box, Zirkulär, Rohr, sowie H-, U- und T-Profile. Weiteren Funktionen beinhalten Dämpfung, thermische Ausdehnung sowie Anfangsspannungen und -dehnungen. Das 2D Balkenquerschnitt-Interface wertet die Eigenschaften beliebiger Querschnitte aus, die anschließend als benutzerdefiniertes Balkenelement verwendet werden können.

Das Fachwerk-Interface dient zum Modellieren schlanker Strukturen, die nur axiale Kräfte aufnehmen können. Es kann sowohl kleine als auch große Dehnungen berücksichtigen. Einsatzgebiete sind z. B. Berechnungen von Fachwerken mit geraden Kanten oder Kabeln, die unter Schwerkrafteinfluss durchhängen. Weitere Funktionen sind Dämpfung, thermische Ausdehnung sowie Anfangsspannungen und -dehnungen.

Thermische Spannung

Das Structural Mechanics Module kann mit COMSOL Multiphysics und anderen Zusatzmodulen zur Modellierung vieler unterschiedlicher multiphysikalischer Anwendungen kombiniert werden. Außerdem enthält das Modul schon selbst eine Reihe vordefinierter Multiphysikinterfaces. Das Thermische Spannung-Interface zum Beispiel ist mit dem Festkörpermechanik- Interface vergleichbar. Es ist jedoch um ein thermisches, linear-elastisches Materialmodell erweitert worden und kann in Verbindung mit den verschiedenen Wärmetransport-Interfaces zum Koppeln von Temperaturfeld und thermischer Ausdehnung verwendet werden. Ein spezielles Multiphysikinterface für Joulsche Erwärmung und thermische Ausdehnung berechnet den elektrischen Stromfluss durch einen Leiter zusammen mit der durch ohmsche Verluste erzeugten Erwärmung und deren thermischer Ausdehnung.

Weitere Mechanik-Funktionen in anderen Modulen

Das MEMS Module stellt geeignete Tools für strukturmechanische Simulationen mikromechanischer Systeme bereit. Dieses Modul enthält Physikinterfaces für Piezoresistivität, elektromechanische Auslenkung und thermoelastische Vibrationen sowie fortschrittliche Modellierwerkzeuge zum Auslegung piezoelektrischer Bauteile. Aus mechanischer Sicht ist das Acoustics Module zuständig für Berechnungen von strukturmechanischen Vibrationen in Verbindung mit akustischen Druckwellen und elastischen und poroelastischen Wellen. Das Subsurface Flow Module erweitert die Strukturmechanik- Interfaces um Poroelastizität und Strömung in porösen Medien.

CAD und Optimierung

Das CAD Import Module bietet Ihnen die Möglichkeit, branchenübliche CAD-Standardformate zu importieren. Mit den ebenfalls verfügbaren Geometriebereinigungs- und Reparaturoptionen können Sie Ihr importiertes CAD-Modell optimal für die Vernetzung und Analyse vorbereiten. Das CAD Import Module basiert auf dem bekannten Parasolid®-Geometrie-Kern und erlaubt anspruchsvolle Geometrieoperationen, die über die Fähigkeiten des nativen COMSOL-Kerns hinausgehen. Für die mechanische Simulation elektronischer Strukturen ist über das ECAD Import Module das Einlesen elektronischer Layouts möglich. Bei Analyse einer mechanischen Komponente oder einer Baugruppe ist es äußerst wichtig, die Originalparametrisierung des CAD-Modells zu erhalten. So können Parameterstudien und Optimierungen ohne Rekonstruktion von Geometrieparametern durchgeführt werden. Diese Möglichkeit ergibt sich durch folgende LiveLink-Produkte für CAD, die für führende CAD-Systeme verfügbar sind: SOLIDWORKS®, Inventor®, AutoCAD®, PTC® Creo® Parametric, PTC® Pro/ENGINEER® und Solid Edge®. Diese Produkte bieten synchrone Aktualisierung der Geometrieparameter im CAD-System und in COMSOL und ermöglichen Parametervariationen und Optimierung vieler unterschiedlicher Modellparameter. Einbeziehung des Optimization Module erlaubt die automatische Optimierung von Geometrieabmessungen, Lasten oder Materialeigenschaften.

Piezoelektrische Bauteile

Das Piezoelektrische Bauteile-Interface vereint die COMSOL-Funktionalität aus Festkörpermechanik und Elektrostatik in einem voll gekoppelten Tool für die Modellierung piezoelektrischer Materialien. Die piezoelektrischen Materialeigenschaften können in Spannungs-Ladungs- oder in Deformations-Ladungs-Form angegeben werden und voll gekoppelt frequenz- oder zeitabhängig analysiert werden oder die Eigenmoden ermittelt werden. Über dieses Physikinterface können Sie auf alle Funktionen der Festkörpermechanik und Elektrostatik zugreifen. Auf diese Weise können z. B. angrenzende linear elastische Festkörper, Lufträume und dielektrische Schichten modelliert werden.

Fluid-Struktur-Wechselwirkung (Fluid-Structure Interaction, FSI)

Das Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI) Multiphysikinterface behandelt die Wechselwirkung zwischen Fluidströmungen und Festkörpermechanik. Dabei modellieren das Festkörpermechanik- und das Laminare Strömung- Interface jeweils Festkörper oder Fluid. Die FSI-Kopplungen verbinden die Grenzflächen zwischen Fluid und Festkörper. Sie beinhalten sowohl den Fluiddruck und die viskosen Kräfte als auch die Impulsübertragung vom Festkörper zum Fluid, betrachten also bidirektionales FSI. Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung wird numerisch mit der Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)-Methode umgesetzt.

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