Mechanische Analysen mit dem Structural Mechanics Module durchführen
FEA-Software für Strukturanalysen
Das Structural Mechanics Module ist ein Add-on zur COMSOL Multiphysics® Plattform, das Ihnen Modellierungswerkzeuge und -funktionen bietet, die speziell auf die Analyse des mechanischen Verhaltens von Festkörperstrukturen zugeschnitten sind. Die Anwendungsbereiche sind unter anderem Maschinenbau, Bauwesen, Geomechanik, Biomechanik und MEMS-Bauelemente. Mit Hilfe des Structural Mechanics Module können Sie Fragen zu Spannungs- und Dehnungsniveaus, Verformungen, Steifigkeit und Nachgiebigkeit, Eigenfrequenzen, Reaktion auf dynamische Belastungen und Knickinstabilität beantworten, um nur einige zu nennen.
Durch die Kombination des Structural Mechanics Module mit anderen Modulen der COMSOL® Produktpalette können Sie Ihre Modelle um Wärmeübertragung, Elektromagnetik und Strömungseffekte erweitern - alles in einer Simulationsumgebung.
Folgende Arten von Analysen können mit dem Structural Mechanics Module durchgeführt werden:
- Stationär
- Eigenfrequenz
- Ungedämpft
- Gedämpft
- Vorgespannt
- Zeitabhängig
- Direkt- oder Modenüberlagerung
- Frequenzgang
- Direkt- oder Modenüberlagerung
- Vorgespannt
- Parametrisch
- Quasistatisch
- Lineare Knickung
- Modalanalyse
- Modal-reduzierte Ordnung
- Antwortspektrum
Was Sie mit dem Structural Mechanics Module modellieren können
Die FEA-Software COMSOL Multiphysics® verfügt über vordefinierte Physik Interfaces mit speziellen Einstellungen, die das Einrichten und Ausführen von Analysen erleichtern. Das Structural Mechanics Module enthält sowohl vordefinierte Materialmodelle zur Auswahl als auch die Möglichkeit, benutzerdefinierte Materialmodelle einzugeben, je nach Art der Analyse. Mit dem Add-on Optimization Module können Sie auch die geometrischen Abmessungen, Belastungen und Materialeigenschaften Ihrer Konstruktionen optimieren.
Im Folgenden erfahren Sie mehr darüber, was Sie mit dem Structural Mechanics Module modellieren können.
Wußten Sie bereits? Physik-Interfaces sind vordefinierte Pakete, die Elementformulierungen, Materialmodelle und Randbedingungen für ein bestimmtes Fachgebiet der physikalischen Simulation enthalten.
Die Festkörpermechanik Interfaces, die in 3D, 2D (ebene Spannung, ebene Dehnung und verallgemeinerte ebene Dehnung) und 2D-Axialsymmetrie verfügbar sind, bieten den allgemeinsten Ansatz zur Analyse von Festkörperstrukturen. Durch die Verwendung einer geometrisch nichtlinearen Formulierung können Sie Situationen mit beliebig großen Rotationen und Dehnungen analysieren.
Es gibt eine Vielzahl von Materialmodellen, um Ihr Problem der Festkörpermechanik genau zu beschreiben, und es ist einfach, diese Funktionen durch gleichungsbasierte Modellierung zu erweitern. Definieren Sie Materialeigenschaften selbst mit konstanten, räumlich variierenden oder nichtlinearen Ausdrücken, Literatur-Tabellen oder Kombinationen daraus. Elemente können basierend auf benutzerdefinierten Ausdrücken aktiviert und deaktiviert werden.
Die Kontaktmodellierung kann statische und dynamische Reibung, Adhäsion und Dekohäsion umfassen. Die sich berührenden Objekte können beliebig große Relativverschiebungen aufweisen.
Bei dünnen Strukturen kann die Verwendung von Schalen- (3D, 2D-axialsymmetrisch) und Plattenelementen (2D) sehr effizient sein. Die Formulierungen berücksichtigen die Querverformungen, die für die Modellierung dicker Schalen erforderlich sind. Sie können einen Versatz in der Richtung normal zu einer ausgewählten Fläche vorgeben, was die Modellierung vereinfacht, wenn Sie mit einer vollständigen 3D-Darstellung der Geometrie arbeiten. Die Ergebnisse der Schalenelementanalyse können auf zwei parallelen Flächen dargestellt werden, was zu einer 3D-Visualisierung führt.
Sehr dünne Strukturen, wie z.B. dünne Folien und Gewebe, erfordern eine Formulierung ohne Biegesteifigkeit. Dies ist im Membran Interface möglich, in der gekrümmte ebene Spannungselemente in 3D oder 2D-Axialsymmetrie zur Berechnung von Verschiebungen in der Ebene und außerhalb der Ebene verwendet werden. Bei der Untersuchung dieser Art von Struktur wird die Fähigkeit, von einem vorgespannten Zustand aus zu starten, ausgiebig genutzt.
Eine Festkörper-Schalen-Verbindung wird erstellt, um eine Analyse auf einer Klammer auszuführen. Links: Die obere (schwarz) und untere (weiß) Schalenoberfläche, wobei der massive Anteil in Silber dargestellt ist. Rechts: Das Regenbogendiagramm zeigt die Spannungen in der Klammer.
Es gibt spezielle Elementtypen für die Modellierung von Balken, also schlanken Strukturen, die durch Querschnittseigenschaften wie Flächen und Trägheitsmomente vollständig beschrieben werden können. Formulierungen sowohl für schlanke Balken (Euler-Bernoulli-Theorie) als auch für dicke Balken (Timoschenko-Theorie) sind verfügbar. Vordefinierte Kopplungen ermöglichen es, Balken mit anderen Elementtypen zu kombinieren, um Verstärkungen für Festkörper- und Schalenstrukturen zu untersuchen.
Das Balken Interface enthält eine Reihe integrierter Querschnittstypen:
- Rechteck
- Hohlprofil
- Ringförmig
- Rohr
- H-Profil
- U-Profil
- T-Profil
- C-Profil
- Hut
- Benutzerdefiniert
Es ist auch möglich, die Querschnittseigenschaften für beliebige 2D-Querschnitte auszuwerten und als Eingangsgrößen für Balkenanalysen zu verwenden.
Darüber hinaus können Sie mit dem Structural Mechanics Module schlanke Strukturen modellieren, die nur Axialkräfte (Traversen) aufnehmen können. Diese Elemente können auch zur Modellierung von durchhängenden Kabeln und Verstärkungen verwendet werden.
Das Structural Mechanics Module stellt Ihnen eine Vielzahl unterschiedlicher Lasten und Randbedingungen zur Verfügung, was eine detailgetreue Modellierung ermöglicht.
Beispiele:
- Verteilte Lasten auf Gebiete, Ränder und Kanten
- Gesamtkraft
- Mitlaufende Lasten
- Schwerkraft
- Bewegte Lasten
- Rotierende Bezugssysteme mit Fliehkraft, Coriolis- und Eulerkräften
- Federn und Dämpfer
- Zusätzliches Gewicht
- Vorgeschriebene Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung
- Periodische Randbedingungen
- Schwach reflektierende Ränder
- Perfekt aufeinander abgestimmte Schichten (PMLs)
- Infinite Elemente
Es stehen verschiedene Funktionen für spezielle Arten der Modellierung bereit, wie z.B.:
- Starrer Verbinder
- Starres Gebiet
- Schraubenvorspannung
- Modellierung von Schraubengewindekontakten
- Spannungslinearisierung
- Sicherheitsfaktor-Ausdrücke
- Überlagerung von Lastfällen
Die Schraubenvorspannung ist in diesem Rohrverbindungsmodell, welches auch eine Spannungslinearisierung beinhaltet, enthalten.
Das Structural Mechanics Module bietet lineare elastische, viskoelastische und piezoelektrische Materialmodelle, aber Sie können auch auf nichtlineare Materialien zugreifen, indem Sie das Nonlinear Structural Materials Module oder das Geomechanics Module hinzufügen.
Sie haben viele Möglichkeiten, die vorhandenen Materialmodelle zu erweitern oder eigene zu erstellen:
- Geben Sie Ausdrücke, die von Spannung, Dehnung, Raumkoordinaten, Zeit oder Größen aus einer anderen physikalischen Schnittstelle abhängen, direkt in das Eingabefeld für eine Materialeigenschaft ein.
- Bei Frequenzbereichsanalysen können Sie komplexwertige Ausdrücke eingeben.
- Sie können zusätzliche PDEs oder ODEs hinzufügen, um unelastische Spannungsbeiträge zu liefern.
- Es ist auch möglich, Ihr eigenes Materialmodell in die COMSOL Multiphysics® Software einzubinden, indem Sie eine externe Funktion mit C-Code programmieren.
Die Materialmodelle können auch Wärmeausdehnung, hygroskopische Quellen, Anfangsspannungen und -dehnungen sowie verschiedene Dämpfungsarten beinhalten. Die Materialeigenschaften können isotrop, orthotrop oder vollständig anisotrop sein.
Das Nonlinear Structural Materials Module und das Geomechanics Module erweitern die Möglichkeiten des Structural Mechanics Module um eine breite Palette nichtlinearer Materialmodelle. Nahtlos in die Benutzeroberfläche von COMSOL Multiphysics® integriert, können diese Add-On-Produkte für rein nichtlineare mechanische Analysen verwendet oder mit anderen Add-Ons für multiphysikalische Analysen kombiniert werden. Insgesamt finden Sie hier mehr als 75 verschiedene Materialmodelle.
Nichtlineare Materialien:
- Elastoplastizität
- Hyperelastizität
- Nichtlineare Elastizität
- Viskoplastizität
- Kriechen
- Poröse Plastizität
- Formgedächtnislegierungen
- Bodenplastizität
- Beton
- Gestein
- Schaden
- Benutzerdefinierte Materialien
Ein Dämpfer, der zur Schwingungsreduzierung in Strukturen eingesetzt wird, wird mit viskoelastischen Materialmodellen modelliert.
Sie können auch dünne, geschichtete Strukturen mit Hilfe des Composite Materials Module analysieren. Dieses Add-On-Modul verwendet eine spezielle Schichtmaterialtechnologie mit zwei Varianten, Schichttheorie und äquivalente Einschichttheorie, die jeweils eigene Vorteile bieten. Mit diesem Modul können geschichtete Verbundwerkstoffe wie faserverstärkter Kunststoff, laminierte Platten und Sandwichpaneele in Flugzeug-, Raumfahrzeug- oder Automobilkomponenten, Windturbinenblättern, Bootsrümpfen und mehr modelliert werden.
Spannungen in einem Verbundwerkstoffblatt einer Windkraftanlage aus dickem PVC-Schaum als Kernmaterial, das von mehreren Schichten Glasfaserverbundwerkstoff auf jeder Seite umgeben ist, kombiniert mit einer äußeren Kohlefaserummantelung.
Die Ermüdungslebensdauer von Strukturen können Sie mit Hilfe des Fatigue Module berechnen, das als Zusatzmodul zum Structural Mechanics Module erhältlich ist. Das Fatigue Module ermöglicht eine Vielzahl von Ermüdungsanalysen, einschließlich Dehnungs-, Spannungs- und energiebasierter Ermüdung und es ist vollständig in die Simulationsumgebung COMSOL Multiphysics® integriert.
Ermüdungsanalysen:
- High-Cycle-Ermüdung
- Basierend auf dem Belastungsbereich
- Low-Cycle-Ermüdung
- Basierend auf Dehnungsbereich oder Verlustleistung
- Rainflow-Zählung
- Kumulativer Schaden
- Multiaxiale Ermüdung basierend auf Methoden der kritischen Ebene
- Vibrationsermüdung
Der maximale Ermüdungsnutzungsfaktor wird in der Speiche einer Felge nach einer hochzyklischen Ermüdungsanalyse angezeigt.
Analysieren Sie Mehrkörpersysteme mit dem Multibody Dynamics Module, das als Add-on zum Structural Mechanics Module erhältlich ist. Es bietet eine umfangreiche Sammlung von Werkzeugen für die Simulation von gemischten Systemen aus flexiblen und starren Körpern. Kopplungen zu den Interfaces Festkörpermechanik, Schale und Balken ermöglichen den Zugriff auf alle strukturmechanischen Funktionen.
Mehrkörperdynamikfähigkeiten:
- Über 10 verschiedene Gelenke für 2D- und 3D-Analysen
- Federn und Dämpfer
- Zahnräder
- Statische, transiente, Eigenfrequenz- und Frequenzbereichsanalyse
- Mechanische Ersatzsysteme
Eine Eigenfrequenzanalyse einer vibrierenden Waschmaschine gibt die Modenform vor, eine zeitabhängige Analyse die zugehörige Verschiebung.
Fügen Sie das Rotordynamics Module hinzu, um Komponenten und Teile in rotierenden Maschinen zu modellieren, bei denen Asymmetrien und Rotation zu Instabilitäten und schädlichen Resonanzen führen können.
Rotordynamik-Fähigkeiten:
- Idealisierung von Festkörpern oder Balken
- Hydrodynamische Lager
- Zapfen- und Axiallager
- Rollenlager
- Campbell-Diagramme
- Umlaufbahnen
- Wasserfalldiagramme und Wirbelplots
Eine Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors wird als ein massiver Rotor mit hydrodynamischen Lagern modelliert, um die Spannung in der Kurbelwelle und den Fluiddruck, die Zapfenumlaufbahnen und die seitliche Verschiebung der Lager zu erzeugen.
Import von CAD-Geometrien
CAD Import Module und Design Module
Importieren Sie eine Vielzahl von branchenüblichen CAD-Formaten in COMSOL Multiphysics® für die Simulationsanalyse mit Hilfe des CAD Import Module. Zu den verfügbaren Funktionen gehören Optionen zur Reparatur und Bereinigung Ihrer CAD-Geometrie, um sie für die Vernetzung und Analyse vorzubereiten, sowie der Zugriff auf den Parasolid® Geometrie-Kernel für erweiterte Volumenkörperoptionen. Das Design Module enthält diese Funktionen ebenfalls und ermöglicht Ihnen die Durchführung der folgenden 3D-CAD-Operationen: Loft, Abrunden, Abschrägen, Zwischenfläche und Verdicken.
Schnittstellen zu den LiveLink™-Produkten
Wählen Sie aus einer Reihe von Schnittstellenprodukten, mit denen Sie Konstruktionen aus CAD-Software in COMSOL Multiphysics® importieren können, um erweiterte Simulationen durchzuführen. Mit den LiveLink™-Produkten können Sie die Parametrisierung des CAD-nativen Modells beibehalten, so dass Sie parametrische Studien und Optimierungen in der COMSOL® Software durchführen können, ohne die Modellparameter rekonstruieren zu müssen.
Sie können auch gleichzeitig Geometrieparameter sowohl im CAD-System als auch in COMSOL Multiphysics® aktualisieren und parametrische Sweeps und Optimierungen über mehrere verschiedene Modellierungsparameter durchführen.
Verfügbar für die Verwendung mit:
- SOLIDWORKS®
- Inventor®
- AutoCAD®
- PTC® Creo® Parametric™
- PTC® Pro/ENGINEER®
- Solid Edge®
Eine Rohrverbindungsgeometrie wird zur Analyse in COMSOL Multiphysics® importiert. Die Geometrie wird zu einem achsensymmetrischen 2D-Modell vereinfacht. Die resultierende Analyse zeigt die Spannungen im Stahlfitting und den Druck an den Kontaktstellen.
Multiphysikalische Kopplungen für erweiterte strukturmechanische Analysen
Fluid-Struktur-Wechselwirkung
Untersuchen Sie die Wechselwirkung zwischen einer flüssigen und festen Struktur, einschließlich des Flüssigkeitsdrucks und der viskosen Kräfte. Die Verformungen der Struktur, die als Randbedingung auf das Fluid wirken, können beliebig groß sein. Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung kann zwischen Teilen auftreten, bei denen sich das Fluid und die Strukturen ein Netz teilen, oder zwischen Baugruppen, bei denen es keine gemeinsame Grenze mit einem gemeinsamen Netz geben muss.
Thermische Spannung
Simulieren Sie thermische Beanspruchung und thermoelastische Dämpfung mit speziellen Multiphysik-Kupplungen. Die Materialeigenschaften der Struktur können auch vom Temperaturfeld abhängen. Kontaktspannungen können nicht nur die mechanische Lösung, sondern auch den Wärmefluss durch eine Kontaktfläche beeinflussen.
Vibrationen, Akustik und elastische Wellen
Untersuchen Sie die Wechselwirkung zwischen Akustik und Struktur, Schwingungen, Akustik-Schale, Festkörperakustik und Piezoakustik sowie elastische Wellenausbreitung durch Hinzufügen des Acoustics Module.
Unterirdische Strömung
Fügen Sie das Subsurface Flow Module hinzu, um die Interfaces der Festkörpermechanik mit Poroelastizität und Strömung in porösen Medien zu erweitern.
Piezoelektrizität und Magnetostriktion
Piezoelektrische Bauelemente können durch eine eingebaute Kopplung zwischen den Schnittstellen Festkörpermechanik und Elektrostatik exakt modelliert werden. Materialeigenschaften für viele gängige piezoelektrische Materialien sind verfügbar.
Kombinieren Sie das AC/DC Module mit dem Structural Mechanics Module, um die Festkörpermechanik und die Magnetik zu koppeln, um eine breite Palette von Sensoren und Aktoren zu modellieren, die auf den Prinzipien der Magnetostriktion basieren.
MEMS Strukturen und Piezoresistivität
Fügen Sie das MEMS Module für MEMS-spezifische Struktursimulationen hinzu. Die eingebauten Kopplungen erleichtern die Analyse der Piezoresistivität, der elektromechanischen Ablenkung durch elektrostatische Kräfte und der Elektrostriktion.
Hochfrequenz-Elektromagnetik
Kombinieren Sie das Structural Mechanics Module mit dem RF Module, Wave Optics Module, oder Ray Optics Module für Analysen, bei denen mechanische Deformationen und Spannungen die Leistung von Hochfrequenz-, Mikrowellen- oder optischen Geräten beeinflussen.
Niederfrequenz-Elektromagnetik
Kombinieren Sie das AC/DC Module mit dem Structural Mechanics Module, um Ihren Strukturanalysen elektromagnetische Effekte hinzuzufügen, wie z.B. Verformung durch elektromagnetische Kräfte, thermische Ausdehnung durch Joule-Heizung und elektrothermomechanische Kontakte.
Beim Strangpressen von Aluminium werden sowohl Fluid-Struktur-Wechselwirkungen als auch thermische Spannungen berücksichtigt.
Dieses piezo-akustische Wandlermodell löst nach den Spannungen und Verformungen im Wandler durch die elektrische Belastung sowie nach dem erzeugten Schalldruck.
Ein magnetostriktiver Wandler wird modelliert, um die Spannungen und Verschiebungen im Wandler sowie das gesamte Magnetfeld zu simulieren.
In diesem vorgespannten Mikrospiegel-Beispiel verschiebt die elektrostatische Kraft den Körper, während die Armenden fixiert sind.
Der spannungsoptische Effekt wird in diesem photonischen Wellenleiter durch eine Strukturanalyse mit anschließender optischer Modenanalyse demonstriert.
Simulations-Applications: Passen Sie Ihre Modellein- und Ausgaben für einen effizienten Designprozess an.
Bedenken Sie, wie viel Zeit und Energie Sie für neue Projekte aufwenden könnten, wenn Sie nicht immer wiederkehrende Simulationstests für Kollegen in Ihrem Team durchführen müssten. Mit dem Application Builder, der in COMSOL Multiphysics® enthalten ist, können Sie Simulations-Applications erstellen, die den Simulations-Workflow weiter vereinfachen, indem Sie die Eingabemöglichkeiten einschränken und die Ausgaben Ihres Modells steuern, so dass Ihre Kollegen ihre eigenen Analysen durchführen können.
Mit spezialisierten Applications können Sie einen Designparameter, wie z.B. eine geometrische Dimension oder eine Materialeigenschaft, einfach ändern und beliebig oft testen, ohne die gesamte Simulation erneut ausführen zu müssen. Sie können Applications verwenden, um Ihre eigenen Tests schneller durchzuführen, oder Applications an andere Mitglieder Ihres Teams verteilen, wodurch Sie Zeit und Ressourcen für andere Projekte freisetzen können.
Das Verfahren ist einfach:
- Verwandeln Sie Ihr strukturmechanisches Modell in eine spezialisierte Benutzeroberfläche (eine Application).
- Passen Sie die App an Ihre Bedürfnisse an, indem Sie die Ein- und Ausgaben für die Benutzer der Application auswählen.
- Verwenden Sie das COMSOL Server™ oder das COMSOL Compiler™ Produkt, um Applications für andere zugänglich zu machen.
- Ermöglichen Sie Ihrem Team, eigene Designanalysen ohne weitere Unterstützung durchzuführen.
Sie können die Möglichkeiten der Simulation in Ihrem Team, Ihrer Organisation, Ihrem Seminarraum oder Ihrem Kundenkreis erweitern, indem Sie Simulations-Applications erstellen und verwenden.
In dieser App für Presspassung-Rohrverbindungen kann ein Benutzer die Rohrdimensionen, den Überlappungsbereich und den Reibungskoeffizienten bearbeiten, um ihren Einfluss auf die effektive Spannung, den Anpressdruck und die Verformung der Rohre zu sehen.
Nächster Schritt:
Eine Software-Demonstration
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Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics®-Software Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.