Aggiornamenti dello Structural Mechanics Module

La tecnica di linearizzazione degli sforzi, un passo di studio per il pretensionamente dei bulloni e una condizione al contorno per la soppressione dei moti di corpo rigido sono alcune delle novità dello Structural Mechanics Module in COMSOL Multiphysics® versione 5.3. Tutti gli aggiornamenti sono descritti in dettaglio qui di seguito.

Valutazione della linearizzazione degli sforzi

La linearizzazione degli sforzi è una tecnica di postprocessing che permette di rappresentare gli sforzi lungo una sezione sottile in un modello solido come combinazione di due contributi: uno sforzo membranale costante e uno sforzo flessionale con andamento lineare. Questo tipo di valutazione è tipico nell'analisi di serbatoi in pressione ed è descritto nella norma ASME ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section III, Division 1, Subsection NB. Altre aree di applicazione includono il calcolo del rinforzo per strutture in calcestruzzo e alcuni tipi di analisi delle saldature.

Il nuovo nodo di postprocessing Stress Linearization consente di selezionare i lati su cui eseguire una valutazione della linearizzazione degli sforzi. Vengono riportati i valori degli sforzi membranali, flessionali e di picco e vengono calcolate le intensità degli sforzi per ciascuna linea di classificazione.

Linearizzazione degli sforzi in COMSOL Multiphysics versione 5.3 Tre linee di classificazione degli sforzi valutate utilizzando la tecnica di linearizzazione degli sforzi. Le linee (rappresentate mediante tubi) sulla superficie della flangia mostrano l'intensità di sforzo massima secondo la scala rappresentata a destra. Il grafico di superficie mostra gli sforzi di von Mises nell'oggetto 3D.
Tre linee di classificazione degli sforzi valutate utilizzando la tecnica di linearizzazione degli sforzi. Le linee (rappresentate mediante tubi) sulla superficie della flangia mostrano l'intensità di sforzo massima secondo la scala rappresentata a destra. Il grafico di superficie mostra gli sforzi di von Mises nell'oggetto 3D.


Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza la tecnica di postprocessing Stress Linearization:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

Passo di studio dedicato per il pretensionamento dei bulloni

È stato introdotto un nuovo tipo di studio, da effettuarsi come primo passo nell'analisi di modelli contenenti bulloni pretensionati. Il passo di studio Bolt Pre-Tension calcola direttamente la pre-deformazione del bullone, che non viene poi ricalcolata in altri tipi di studio. Questo passo di studio elimina la necessità di impostare manualmente lo stato di attivazione dei gradi di libertà associati all'analisi dei bulloni.

Pretensionamento di bulloni in COMSOL Multiphysics

Una struttura costituita da bulloni pretensionati che sostengono una staffa. Il primo nodo Study contiene il nuovo tipo di studio Bolt Pre-Tension. Il secondo esegue in sequenza un'analisi stazionaria.

Una struttura costituita da bulloni pretensionati che sostengono una staffa. Il primo nodo Study contiene il nuovo tipo di studio Bolt Pre-Tension. Il secondo esegue in sequenza un'analisi stazionaria.

Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza il passo di studio Bolt Pre-Tension:
Structural_Mechanics_Module/Tutorials/bracket_contact

Rilevamento automatico dei bulloni nei piani di simmetria e gestione delle loro condizioni di modellazione

I bulloni pretensionati tagliati da un piano di simmetria ora sono rilevati automaticamente. Sia la forza di pretensionamento assegnata sia le forze calcolate sul bullone tagliato sono interpretate come se si trattasse di un bullone intero, semplificando notevolmente il flusso di lavoro.

Grafico degli sforzi in un bullone pretensionato Grafico dello sforzo di un bullone pretensionato tagliato da un piano di simmetria. Il bullone tagliato viene individuato e considerato come un bullone intero. Si evita così di dover definire separatamente i bulloni tagliati dai piani di simmetria. Tutti i bulloni del modello possono essere specificati con le stesse condizioni.
Grafico dello sforzo di un bullone pretensionato tagliato da un piano di simmetria. Il bullone tagliato viene individuato e considerato come un bullone intero. Si evita così di dover definire separatamente i bulloni tagliati dai piani di simmetria. Tutti i bulloni del modello possono essere specificati con le stesse condizioni.

Percorso dell'Application Library con un esempio del rilevamento automatico dei bulloni nei piani di simmetria:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

Soppressione automatica dei moti del corpo rigido

Nei casi in cui i carichi sono auto-equilibranti, le posizioni dei vincoli necessari non sono importanti. I modelli caratterizzati dalla presenza di carichi auto-equilibranti possono essere analizzati a patto che i vincoli soddisfino le seguenti condizioni: non sia possibile alcun moto del corpo rigido e non vengano introdotte forze di reazione. Ora si può utilizzare la nuova condizione Rigid Motion Suppression per questo genere di analisi. Questa funzione applica automaticamente una serie di vincoli idonei basati sulla geometria e sulle interfacce fisiche.

La funzionalità Rigid Motion Suppression è disponibile per le seguenti interfacce fisiche:

  • Solid Mechanics (3D, 2D, 2D assialsimmetrica)
  • Shell (3D)
  • Plate (2D)
  • Membrane (3D, 2D)
  • Beam (3D, 2D)
  • Truss (3D, 2D)
  • Multibody Dynamics (3D, 2D)
Modello di un circuito di riscaldamento con la condizione Rigid Motion Suppression

In questo esempio un circuito di riscaldamento si deforma a causa della dilatazione termica. L'applicazione della condizione Rigid Motion Suppression assicura che il modello abbia vincoli sufficienti per una risoluzione corretta. Il grafico mostra gli sforzi di von Mises.

In questo esempio un circuito di riscaldamento si deforma a causa della dilatazione termica. L'applicazione della condizione Rigid Motion Suppression assicura che il modello abbia vincoli sufficienti per una risoluzione corretta. Il grafico mostra gli sforzi di von Mises.

Percorso dell'Application Library con un esempio di soppressione del moto del corpo rigido:
Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/heating_circuit

Calcoli dei fattori di sicurezza

Il nuovo attributo Safety nei nodi Linear Elastic Material e Nonlinear Elastic Material consente di studiare l'utilizzo dei materiali nella struttura, specialmente in riferimento ai fattori di sicurezza. Il fattore di sicurezza può essere calcolato in relazione a numerosi criteri di frattura, di tipo isotropo, ortotropo o anisotropo, oppure in riferimento a espressioni definite dall'utente. Quando si include un nodo Safety, in post processing si ha accesso a variabili quali il fattore di sicurezza, il margine di sicurezza e gli indici di danno e rottura.

Analisi di buckling lineare per l'interfaccia Beam

La determinazione dei carichi critici per strutture reticolari soggette a carichi di compressione diventa più facile, grazie alla possibilità di eseguire l'analisi di buckling lineare anche nell'interfaccia Beam. Inoltre, questo tipo di studio o analisi può ora essere applicato a modelli che utilizzano molteplici interfacce meccaniche strutturali, anche miste. Questo perché l'analisi di buckling è già disponibile in altre interfacce fisiche, ad esempio in Solid Mechanics e Shell.

Analisi di buckling lineare Il modo di buckling di un telaio soggetto a carichi verticali.
Il modo di buckling di un telaio soggetto a carichi verticali.

Percorso dell'Application Library con un esempio di un'analisi di instabilità per l'interfaccia Beam:
Structural_Mechanics_Module/Verification_Examples/space_frame_instability

Nuovo grafico disponibile per analisi con elementi shell

Per risparmiare le risorse computazionali, molte strutture sottili possono essere analizzate utilizzando elementi shell e mesh di superficie al posto di mesh 3D. Tuttavia, può essere difficile visualizzare una struttura 3D con risultati differenti tra superficie superiore e superficie inferiore della shell, se si devono utilizzare gli elementi shell in postprocessing. Le difficoltà crescono quando si visualizzano gli elementi shell insieme ad altre parti 3D del modello discretizzate con mesh 3D.

Con la nuova release di COMSOL Multiphysics®, è possibile tracciare i risultati di un'analisi condotta con elementi shell su due superfici parallele e presentarli in modo più efficace in una visualizzazione 3D. Per impostazione predefinita, le superfici si trovano a una distanza equivalente allo spessore utilizzato nell'analisi degli elementi shell. Tuttavia, è possibile modificare manualmente questa distanza per migliorare la visualizzazione di oggetti molto sottili. A tale fine, si può utilizzare il nuovo dataset Shell nel nodo Results.

La geometria di una staffa

Analisi di sforzo di una staffa: alcune parti della geometria sono analizzate con l'interfaccia Shell e altre con l'interfaccia Solid Mechanics. Quando si utilizza un'analisi Shell, un grafico predefinito (raffigurato qui) mostra gli elementi shell indeformati come due superfici parallele poste a una distanza pari allo spessore degli shell, con la superficie superiore colorata in blu-verde; le parti geometriche 3D sono state nascoste.

Analisi di sforzo di una staffa: alcune parti della geometria sono analizzate con l'interfaccia Shell e altre con l'interfaccia Solid Mechanics. Quando si utilizza un'analisi Shell, un grafico predefinito (raffigurato qui) mostra gli elementi shell indeformati come due superfici parallele poste a una distanza pari allo spessore degli shell, con la superficie superiore colorata in blu-verde; le parti geometriche 3D sono state nascoste.
Grafico di una staffa con sforzi su entrambi i lati degli shell

Analisi dello sforzo di una staffa: alcune parti della geometria sono analizzate con l'interfaccia Shell e altre con l'interfaccia Solid Mechanics. Questo grafico mostra gli sforzi sui due lati degli shell utilizzando il dataset Shell (i risultati sulle parti geometriche modellate da elementi solidi non sono mostrati).

Analisi dello sforzo di una staffa: alcune parti della geometria sono analizzate con l'interfaccia Shell e altre con l'interfaccia Solid Mechanics. Questo grafico mostra gli sforzi sui due lati degli shell utilizzando il dataset Shell (i risultati sulle parti geometriche modellate da elementi solidi non sono mostrati).

Nuovi accoppiamenti multifisici tra interfacce meccaniche strutturali

Il collegamento di diverse interfacce meccaniche strutturali è stato semplificato con l'introduzione di tre nuove interfacce di accoppiamento multifisico: Solid-Shell Connection, Solid-Beam Connection e Shell-Beam Connection. Di conseguenza, i sottonodi precedenti che si potevano aggiungere al nodo Solid MechanicsBeam Connection, Shell Connection e Solid Connection — diventano obsoleti e sono stati quindi eliminati. Gli accoppiamenti Solid-Shell Connection e Solid-Beam Connection sono utili per collegare i domini dell'interfaccia Solid Mechanics o Multibody Dynamics.

Varie impostazioni di connessione nello Structural Mechanics Module

Le impostazioni di connessione disponibili (da sinistra a destra) per gli accoppiamenti Solid-Shell Connection, Shell-Beam Connection e Solid-Beam Connection.

Le impostazioni di connessione disponibili (da sinistra a destra) per gli accoppiamenti Solid-Shell Connection, Shell-Beam Connection e Solid-Beam Connection.

Strati elastici descritti dai dati di materiale

È ora possibile imporre le proprietà elastiche di una Spring Foundation o di un Thin Elastic Layer a partire dai dati del materiale, come il modulo di Young e il coefficiente di Poisson, e dallo specifico spessore dello strato. Ciò semplifica, ad esempio, la modellazione di strati adesivi con proprietà di materiale note. Quando si utilizzano come input lo spessore e i dati del materiale, sono anche disponibili tra i risultati le deformazioni nello strato elastico.

Analisi modale in Solid Mechanics

Un nuovo tipo di studio modale è stato aggiunto alle interfacce Solid Mechanics in 2D. L'analisi modale è utilizzata per studiare le forme modali e i numeri d'onda per le onde che si propagano fuori piano. Le applicazioni comprendono l'interazione generale acustica-strutturale e la valutazione non distruttiva sulle sezioni trasversali. L'interfaccia Solid Mechanics 2D assialsimmetrica offre la nuova opzione per Circumferential mode extension e può essere utilizzata con uno studio delle frequenze proprie per calcolare le forme modali circonferenziali e i numeri modali.

Nota: il modello nell'esempio richiede anche l'Acoustics Module.

Un esempio di analisi modale in COMSOL Multiphysics versione 5.3 Modalità di propagazione nella camera di un silenziatore con pareti sottili elastiche. Sono rappresentate la pressione acustica e le deformazioni strutturali.
Modalità di propagazione nella camera di un silenziatore con pareti sottili elastiche. Sono rappresentate la pressione acustica e le deformazioni strutturali.

Percorso dell'Application Library con un esempio del nuovo tipo di studio per l'analisi modale:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Nuova formulazione per le deformazioni inelastiche nelle analisi geometricamente non lineari

È stata introdotta una formula più rigorosa di decomposizione in deformazioni elastiche e inelastiche per i modelli che includono la nonlinearità geometrica. Le versioni precedenti di COMSOL® utilizzavano un approccio basato sulla decomposizione additiva, con poche eccezioni, ad esempio per le analisi in grandi deformazioni in campo plastico, che prevedevano, al contrario, la decomposizione moltiplicativa.

La decomposizione moltiplicativa è ora disponibile anche per:

  • Dilatazione termica
  • Dilatazione igroscopica
  • Initial Strain
  • External Strain
  • Viscoplasticità
  • Creep

La decomposizione moltiplicativa del tensore gradiente di deformazione è ora l'opzione predefinita per tutti i contributi inelastici negli studi in cui è attiva la non linearità geometrica. Il vantaggio principale è dato dalla possibilità di gestire diversi contributi di grande deformazione inelastica in un materiale. Inoltre, la linearizzazione risulta più coerente; ad esempio, è possibile prevedere con precisione la variazione delle frequenze proprie del sistema dovuta alla pura dilatazione termica. Per ripristinare il comportamento delle versioni precedenti di COMSOL Multiphysics®, è disponibile la nuova casella di controllo Additive strain decomposition nella finestra impostazioni dei rispettivi modelli di materiale.


Tra i miglioramenti introdotti, l'attributo External Strain sotto i nodi Linear Elastic Material e Nonlinear Elastic Material è stato ampliato con diverse nuove opzioni. Queste opzioni consentono di specificare le deformazioni inelastiche in varie forme; è anche possibile trasferire deformazioni inelastiche da altre interfacce fisiche a questo attributo. Inoltre, è stato aggiunto anche al nodo Hyperelastic Material un attributo External Strain con proprietà simili.

Rigid Domain nelle interfacce Shell e Beam

Il modello di materiale Rigid Domain è accessibile dalle interfacce Shell e Beam. Si tratta di una tecnica di modellazione efficace per le parti che sono molto più rigide rispetto a quelle circostanti, in quanto assegna a un intero insieme di superfici (Shell) o lati (Beam) solo i gradi di libertà di un corpo rigido. Come per il modello materiale corrispondente nelle interfacce Solid Mechanics e Multibody Dynamics, è possibile applicare carichi, molle e contributi inerziali in punti arbitrari del corpo rigido.

Connettore rigido nell'interfaccia Beam

La funzionalità Rigid Connector è ora disponibile nell'interfaccia Beam. È possibile selezionare una serie di nodi per formare una regione rigida da utilizzare, ad esempio, per evitare di sovrastimare la flessibilità nei punti di connessione di una trave. Questa funzionalità può anche essere utile per applicare carichi decentrati, molle o un ulteriore contributo inerziale.

Condizioni al contorno elastiche per dominio rigido e connettore rigido

Le funzionalità Rigid Connector e Rigid Domain in tutte le interfacce fisiche sono state ampliate con una condizione al contorno denominata Spring Foundation, che offre le seguenti proprietà:

  • La molla può essere fissata in una posizione arbitraria
  • Sono disponibili molle traslazionali e rotazionali
  • La molla può avere un fattore di perdita
  • La molla può agire in parallelo con lo smorzamento viscoso (sia in traslazione sia in rotazione)

Variabili energia per la modellazione del contatto

Sono disponibili nuove variabili contenenti informazioni sull'energia per la modellazione del contatto. È ora possibile ottenere l'energia dissipata dall'attrito, così come l'energia elastica immagazzinata nei fattori penalty di contatto. Questo è utile per controllare i bilanci energetici e per il controllo a posteriori dei fattori penalty selezionati.

Grafico del bilancio energetico di un cilindro che ruota e scorre Bilancio energetico di un cilindro che rotola e scorre all'interno di un canale a causa della gravità.
Bilancio energetico di un cilindro che rotola e scorre all'interno di un canale a causa della gravità.

Percorso dell'Application Library con un esempio contenente le nuove variabili per le quantità di energia durante la modellazione del contatto:
Transient Rolling Contact

Analisi nel dominio delle frequenze con il contatto

È possibile studiare la risposta in frequenza di una struttura in cui sia stata inclusa una modellazione di contatto in uno studio precedente. Ad esempio, è possibile eseguire le analisi del dominio delle frequenze di strutture imbullonate e studiare l'influenza del contatto sulle proprietà dinamiche.

Perturbazione armonica per velocità e accelerazione imposte

Nelle interfacce Shell, Plate e Beam è possibile inserire i valori di perturbazione armonica per i nodi Prescribed Velocity e Prescribed Acceleration.

Potenziamenti per la visualizzazione dei simboli associati alla fisica

Si può avere un maggiore controllo nella visualizzazione dei simboli associati alla fisica nella geometria rappresentata nella finestra grafica. Tali simboli possono essere resi visibili o nascosti, attivandone o disattivandone la visualizzazione sia all'interno della finestra delle impostazioni della rispettiva interfaccia fisica, sia nelle impostazioni delle singole funzionalità.

Opzione Physics Symbols per Solid Mechanics e opzione Physics Symbols per Point Load

Attivazione e disattivazione della visualizzazione dei simboli associati alla fisica nella finestra grafica nella configurazione del modello. È possibile selezionare Enable physics symbols nella finestra delle impostazioni del nodo principale (ad es. Solid Mechanics) (in alto), oppure nella finestra delle impostazioni di una singola funzione (ad es. Point Load) (in basso).

Attivazione e disattivazione della visualizzazione dei simboli associati alla fisica nella finestra grafica nella configurazione del modello. È possibile selezionare Enable physics symbols nella finestra delle impostazioni del nodo principale (ad es. Solid Mechanics) (in alto), oppure nella finestra delle impostazioni di una singola funzione (ad es. Point Load) (in basso).

Potenziamenti per l'inclusione delle funzionalità External Material

Sono stati introdotti diversi perfezionamenti per quanto riguarda la potenza e l'usabilità dei modelli di materiale sviluppati dall'utente in codice C:

  • È possibile implementare i contributi di deformazione inelastica per materiali elastici non lineari e iperelastici
  • Sono disponibili due nuove interfacce per il codice C, che richiedono più valori di input, compresi i gradienti di deformazione
  • È possibile includere le funzioni di forma serendipity
  • È stata aggiunta la formulazione in piccole deformazioni
  • È possibile cominciare con una chiamata di inizializzazione speciale alla funzione utente
  • È possibile effettuare una chiamata di cleanup alla funzione utente (ad es. chiudi il file)
  • Le variabili di stato possono essere nominate singolarmente
  • Il tempo è disponibile come argomento di input

Nuovo tutorial: Transient Rolling Contact

Il modello Transient Rolling Contact mostra come gestire un problema di contatto tempo-dipendente con transizione tra attrito statico e tipo dinamico (stick-slip). Un tubo flessibile vuoto soggetto a gravità viene rilasciato su un half-pipe. Il suo movimento varia tra scorrimento e rotolamento, a seconda della sua posizione nel half-pipe e della sua velocità. La forma della sezione trasversale del tubo cambia a causa delle forze di contatto e inerziali. Un bilancio energetico convalida l'accuratezza della soluzione.

 

Un tubo flessibile viene lasciato cadere dalla regione superiore di un half-pipe: il suo movimento e la forma della sezione trasversale del tubo sono soggetti a forze gravitazionali e di contatto. Sono mostrati gli sforzi sul tubo nel tempo e la traiettoria di un punto sul tubo mentre il suo moto varia tra scorrimento e rotolamento.

Link alla Galleria delle applicazioni:
Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

Nuovo tutorial: Noise Radiation by a Compound Gear Train

Per i progettisti, prevedere la radiazione acustica di un sistema dinamico significa capire a fondo il comportamento dei meccanismi di movimento sin dalle prime fasi dello sviluppo. Si prenda, ad esempio, una scatola del cambio in cui le variazioni nella rigidezza degli ingranaggi inducono vibrazioni. Queste vibrazioni vengono trasmesse alla scatola del cambio attraverso alberi e giunti. L'alloggiamento vibrante trasmette energia al fluido circostante, con conseguente radiazione di onde acustiche.

Questo tutorial simula la radiazione acustica emessa dall'alloggiamento di un treno di ingranaggi. In primo luogo, viene eseguita un'analisi di dinamica multibody nel dominio del tempo per calcolare le vibrazioni dell'alloggiamento corrispondenti a una specifica velocità dell'albero motore. Quindi, viene eseguita un'analisi acustica a una frequenza selezionata, per calcolare i livelli di pressione sonora nei campi vicino, lontano ed esterno, utilizzando come sorgente di rumore l'accelerazione normale dell'alloggiamento.

Nota: questo modello richiede anche il Multibody Dynamics Module e l'Acoustics Module.

 

Accelerazione normale sull'alloggiamento del treno di ingranaggi. Nel modello viene anche calcolata la pressione acustica irradiata.


Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise