Software FEA per analisi strutturali

Lo Structural Mechanics Module è un add-on della piattaforma COMSOL Multiphysics® che offre strumenti di modellazione e funzionalità su misura per analizzare il comportamento meccanico delle strutture. Le aree di applicazione includono ingegneria meccanica, ingegneria civile, geomeccanica, biomeccanica e dispositivi MEMS. Usando lo Structural Mechanics Module, sarete in grado di rispondere a domande riguardanti, per esempio, i livelli di stress e deformazione, rigidità e flessibilità, frequenze naturali, risposta a carichi dinamici e instabilità, solo per citarne alcuni. La combinazione dello Structural Mechanics Module con altri moduli della suite di prodotti COMSOL® consente di estendere ulteriormente l'analisi per includere trasferimento di calore, elettromagnetismo ed effetti legati alla fluidodinamica — tutto in un unico ambiente di simulazione.

Con lo Structural Mechanics Module si possono eseguire i seguenti tipi di analisi:

  • Stazionario
  • Frequenze naturali
    • Senza smorzamento
    • Con smorzamento
    • Con prestress
  • Transitorio
    • Risoluzione diretta o tramite sovrapposizione modale
  • Risposta in frequenza
    • Risoluzione diretta o tramite sovrapposizione modale
    • Con prestress
  • Parametrico
  • Quasi-statico
  • Buckling
  • Analisi modale
  • Modellazione a ordine ridotto

Cosa puoi modellare con lo Structural Mechanics Module

Il software COMSOL Multiphysics® include interfacce fisiche predefinite con impostazioni ad-hoc, che semplificano la configurazione e l'esecuzione delle analisi. Lo Structural Mechanics Module consente di scegliere modelli di materiali predefiniti oppure di inserire modelli di materiali definiti dall'utente, a seconda della natura dell'analisi da svolgere. Potrete inoltre ottimizzare le dimensioni geometriche, i carichi e le proprietà dei materiali dei vostri progetti con il modulo aggiuntivo Optimization Module.

Scoprite nel dettaglio cosa potete modellare con lo Structural Mechanics Module.

Lo sapevi? Le interfacce fisiche sono pacchetti predefiniti contenenti formulazioni di elementi, modelli di materiali e condizioni al contorno per determinati fenomeni fisici.

Le interfacce Solid Mechanics, disponibili in 3D, 2D (stato di sforzo piano, di deformazione piana o generalizzata) e in simmetria assiale 2D, forniscono l'approccio più generale all'analisi delle strutture solide. Utilizzando una formulazione geometricamente non lineare, è possibile analizzare scenari con rotazioni e deformazioni arbitrariamente grandi.

Troverete un'ampia varietà di modelli di materiale per descrivere con precisione il vostro problema di meccanica solida, e vi sarà facile estendere queste caratteristiche tramite l'Equation-based modeling. Potrete definire le proprietà del materiale con espressioni costanti, variabili nello spazio o non lineari, tabelle o combinazioni di questi metodi.

La modellazione del contatto può includere l'attrito statico, dinamico, l'adesione e la decoesione. Gli oggetti in contatto possono avere grandi spostamenti relativi.

 

Per le strutture sottili, l'utilizzo di elementi shell (3D) e lastre (2D) può essere molto efficace. Le formulazioni includono la deformabilità tagliante necessaria per modellare gusci spessi. È possibile inoltre prescrivere un offset nella direzione normale a una superficie selezionata: questo semplifica la modellazione shell quando si parte dalla rappresentazione 3D della geometria. I risultati dell'analisi degli elementi shell possono essere presentati su due superfici parallele, il che si traduce in una visualizzazione 3D.

Strutture molto sottili, come pellicole sottili e tessuto, richiedono una formulazione senza rigidità flessionale. Questa formulazione è inclusa nell'interfaccia Membrane, in cui elementi curvi in stato di sforzo piano sono utilizzati per calcolare spostamenti in piano e fuori piano. Nell'utilizzo di elementi membrane, la possibilità di fornire uno stato di prestress è ampiamente utilizzata.

Un esempio di un modello di una staffa che include elementi shell. Viene creata una connessione Solid-Shell per eseguire un'analisi su una staffa. A sinistra: le superfici superiore (nera) e quella inferiore (bianca) appartengono alle shell, mentre la parte solida è mostrata in argento. Il grafico a destra mostra gli sforzi nella staffa.

Esistono tipi di elementi finiti specializzati per la modellazione di travi, ovvero strutture snelle che possono essere completamente descritte mediante proprietà della sezione trasversale, come aree e momenti di inerzia. Sono disponibili formulazioni sia per travi snelle (teoria di Eulero-Bernoulli) che per travi spesse (teoria di Timoshenko). Accoppiamenti predefiniti consentono di connettere gli elementi beam con altri tipi di elementi per studiare i rinforzi per strutture solide e bidimensionali.

L'interfaccia Beam contiene diversi di tipi di sezioni trasversali predefinite:

  • Rettangolare
  • Box
  • Circolare
  • Tubo
  • Profilo ad H
  • Profilo a U
  • Profilo a T
  • Profilo a C
  • Omega
  • Definito dall'utente

È anche possibile valutare le proprietà della sezione trasversale per le sezioni 2D arbitrarie e utilizzarle come input per l'analisi.

Inoltre, lo Structural Mechanics Module consente di modellare strutture snelle che possono sostenere solo forze assiali. Gli elementi Truss possono essere utilizzati anche per modellare cavi e armature.

 

Lo Structural Mechanics Module fornisce molte condizioni di carico e vincolo, che facilitano una modellazione assolutamente realistica.

Esempi:

  • Carichi distribuiti su domini, superfici e linee
  • Forza totale
  • Carichi follower
  • Gravità
  • Carichi in movimento
  • Sistemi di riferimento non inerziali con forza centrifuga, di Coriolis e di Eulero
  • Molle e smorzatori
  • Masse aggiuntive
  • Spostamento, velocità e accelerazione imposte
  • Condizioni al contorno periodiche
  • Superfici a bassa riflettività
  • Perfectly Matched Layers (PMLs)
  • Elementi infiniti
 

Troverete diverse funzionalità per tipi speciali di modellazione, quali:

  • Connettore rigido
  • Dominio rigido
  • Pre-tensione bullone
  • Modellazione del contatto della filettatura di un bullone
  • Linearizzazione degli sforzi
  • Fattori di sicurezza
  • Sovrapposizione di casi di carico
Analisi di pretensionamento dei bulloni condotta con lo Structural Mechanics Module Questo modello di giunto flangiato include il pretensionamento del bullone e la linearizzazione degli stress.

Lo Structural Mechanics Module include modelli di materiali elastici lineari, viscoelastici e piezoelettrici; potrete anche accedere alla modellazione di materiali nonlineari aggiungendo il Nonlinear Structural Materials Module o il Geomechanics Module.

Sono disponibili diverse possibilità per estendere i modelli di materiale esistenti o crearne di nuovi:

  • È possibile inserire espressioni che dipendono da tensioni, deformazioni, coordinate spaziali, tempo o variabili definite in altre interfacce fisiche direttamente nei campi di input per una proprietà di materiale
  • Nel caso di analisi nel dominio della frequenza, potete inserire espressioni contenenti valori complessi
  • Potete aggiungere equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE) o ordinarie (ODE) per aggiungere contributi deformativi inelastici
  • È inoltre possibile includere il vostro modello di materiale in COMSOL Multiphysics® programmando una funzione esterna in linguaggio C

Il modello di materiale può tenere conto anche di espansione termica, dilatazione igroscopica, stati di sforzo e deformazione iniziali e diversi tipi di smorzamento. Le proprietà del materiale possono essere isotrope, ortotrope o completamente anisotrope.

Il Nonlinear Structural Materials Module e il Geomechanics Module estendono le potenzialità dello Structural Mechanics Module con una vasta gamma di materiali nonlineari. Perfettamente integrati nell'interfaccia di COMSOL Multiphysics®, questi moduli aggiuntivi possono essere utilizzati per analisi meccaniche, ma anche combinati con altri moduli per analisi multifisiche. In tutto, troverete più di 75 differenti modelli di materiale per la meccanica strutturale.

Modelli costitutivi non lineari:

  • Elastoplasticità
  • Iperelasticità
  • Elasticità non lineare
  • Viscoplasticità
  • Creep
  • Plasticità in mezzi porosi
  • Leghe a memoria di forma (SMA)
  • Plasticità dei terreni
  • Calcestruzzo
  • Rocce
  • Materiali definiti dall'utente
Esempio di utilizzo di modelli di materiale viscoelastico in un modello di meccanica strutturale Uno smorzatore utilizzato per la riduzione delle vibrazioni nelle strutture, simulato con un modello di materiale viscoelastico.

È possibile calcolare la vita a fatica delle strutture utilizzando il Fatigue Module, disponibile come componente aggiuntivo dello Structural Mechanics Module. Il Fatigue Module consente analisi a fatica basate sulla deformazione, sullo sforzo e sull'energia di deformazione ed è completamente integrato nell'ambiente COMSOL Multiphysics®.

Analisi a fatica:

  • Fatica a elevato numero di cicli
    • Basata sull'ampiezza di sforzo
  • Fatica a basso numero di cicli
    • Basata sull'ampiezza di deformazione o sulla dissipazione energetica
  • Conteggio dei cicli mediante metodo Rainflow
  • Danno cumulato
  • Fatica in condizioni di sforzo multiassiale con il metodo del piano critico
  • Fatica vibrazionale
Analisi di fatica di un modello di cerchione. Fattore di utilizzo massimo a fatica nelle razze di un cerchione dopo un'analisi a fatica a elevato numero di cicli.

È possibile analizzare sistemi multibody con il Multibody Dynamics Module, disponibile come componente aggiuntivo dello Structural Mechanics Module. Fornisce un set completo di strumenti per la simulazione di sistemi misti di corpi flessibili e rigidi. Gli accoppiamenti con le interfacce Solid Mechanics, Shell e Beam consentono di accedere a tutte le funzioni della meccanica strutturale.

Capacità multibody:

  • Più di 10 diversi giunti per analisi 2D e 3D
  • Molle e smorzatori
  • Ingranaggi
  • Analisi statiche, transienti, alle autofrequenze e nel dominio della frequenza
  • Sistemi meccanici a parametri concentrati
Modello multibody di una lavatrice Un'analisi delle frequenze proprie di una lavatrice fornisce i modi di vibrare; un'analisi tempo-dipendente fornisce lo spostamento associato.

Aggiungete il Rotordynamics Module per modellare componenti e parti di macchine rotanti dove le asimmetrie e la rotazione possono portare a instabilità e pericolose risonanze.

Funzionalità rotodinamiche:

  • Modellazione solida o tramite beam
  • Cuscinetti idrodinamici
  • Cuscinetti assiali a sfere e cuscinetti a strisciamento
  • Cuscinetti a rulli
  • Diagrammi di Campbell
  • Diagrammi delle orbite
  • Grafici a cascata e Whirl plots
Modello rotodinamico di un albero a gomiti del motore alternativo Albero motore a gomiti modellato come un rotore solido con cuscinetti idrodinamici per determinare lo sforzo nell'albero, la pressione del fluido, le orbite dei componenti e lo spostamento laterale dei cuscinetti.

Importa geometrie CAD

Per eseguire simulazioni a partire da progetti strutturali generati con software CAD di terze parti, è possibile connettersi a COMSOL Multiphysics® attraverso i seguenti moduli di interfacciamento.

CAD Import Module e Design Module

Potete importare una varietà di formati CAD standard in COMSOL Multiphysics® utilizzando il CAD Import Module. Le funzionalità disponibili includono opzioni per riparare e ripulire la geometria CAD, in modo da prepararla alla mesh e all'analisi, nonché per accedere al kernel geometrico Parasolid® per le opzioni di modellazione solida avanzata. Anche il Design Module include queste funzionalità; inoltre consente di eseguire le seguenti operazioni CAD 3D: loft, raccordo, smusso, superficie media e ispessimento.

Interfacciamento attraverso i prodotti LiveLink™

Scegliete tra i diversi prodotti LiveLink™, che vi permettono di importare progetti dai software CAD in COMSOL Multiphysics® per eseguire simulazioni avanzate. Con i prodotti LiveLink™, è possibile mantenere la parametrizzazione del modello nativo CAD, in modo da poter eseguire studi parametrici e di ottimizzazione nel software COMSOL® senza dover ricostruire i parametri del modello.

È anche possibile aggiornare simultaneamente i parametri geometrici sia nel sistema CAD che in COMSOL Multiphysics®, eseguire sweep parametrici e ottimizzazione su diversi parametri del modello.

I prodotti LiveLink™ sono disponibili per:

  • SOLIDWORKS®
  • Inventor®
  • AutoCAD®
  • PTC® Creo® Parametric™
  • PTC® Pro/ENGINEER®
  • Solid Edge®
Modello di giunzione per tubi con geometria importata nel software COMSOL La geometria su cui simulare la giunzione dei tubi viene importata in COMSOL Multiphysics® per l'analisi. La geometria è semplificata in un modello assialsimmetrico 2D. L'analisi risultante mostra le sollecitazioni nel raccordo in acciaio e la pressione nei punti di contatto.

Accoppiamenti multifisici per analisi di meccanica strutturale

Ci sono molte situazioni in cui il comportamento strutturale è strettamente associato ad altri fenomeni fisici. Uno dei vantaggi di COMSOL Multiphysics® è la facilità con cui è possibile combinare due o più interazioni, tutte all'interno dello stesso ambiente software. Per molti casi comuni, esistono funzionalità di accoppiamento integrate, come descritto di seguito. Per altri casi, potete facilmente definire gli accoppiamenti voi stessi.

Interazione fluido-struttura

È possibile studiare l'interazione tra un fluido e una struttura solida, includendo sia la pressione del fluido che le forze viscose. Le deformazioni della struttura, che agiscono come una condizione al contorno del fluido, possono essere arbitrariamente grandi.

Sollecitazioni termiche

Simulate le sollecitazioni termiche e lo smorzamento termoelastico con appositi accoppiamenti multifisici. Le proprietà dei materiali strutturali possono anche dipendere dal campo di temperatura. Le tensioni di contatto possono influire non solo sulla soluzione meccanica, ma anche sul flusso termico attraverso una superficie di contatto.

Vibrazioni, acustica e onde elastiche

Potete aggiungere l'Acoustics Module per studiare interazione acustico-strutturale, vibrazioni, acustica-shell, acustica-solidi, interazione piezo-acustica e propagazione di onde elastiche.

Subsurface Flow

Aggiungete il Subsurface Flow Module per arricchire le interfacce della meccanica strutturale con la poroelasticità e il flusso in mezzi porosi.

Piezoelettricità e magnetostrizione

I dispositivi piezoelettrici possono essere modellati accuratamente utilizzando un accoppiamento pre-implementato tra le interfacce Solid Mechanics ed Electrostatics. Sono disponibili proprietà dei materiali per i materiali piezoelettrici più diffusi.

Combinate l'AC/DC Module con lo Structural Mechanics Module per accoppiare la meccanica strutturale e i fenomeni magnetici: potrete modellare una vasta gamma di sensori e attuatori, sulla base dei principi della magnetostrizione.

Dispositivi MEMS e piezoelettrici

Aggiungete il MEMS Module per le simulazioni strutturali di microsistemi MEMS. Gli accoppiamenti pre-implementati facilitano l'analisi della piezoresistenza, ovvero lo spostamento elettromeccanico dovuto alle forze elettrostatiche e di elettrostrizione.

Elettromagnetismo in alta frequenza

Si può abbinare lo Structural Mechanics Module con l'RF Module, il Wave Optics Module o il Ray Optics Module per analizzare come le deformazioni meccaniche e lo stato tensionale influenzino le prestazioni di dispositivi RF, a microonde e ottici.

Elettromagnetismo in bassa frequenza

Combinate l'AC/DC Module con lo Structural Mechanics Module per includere effetti elettromagnetici nelle vostre analisi strutturali: per esempio, deformazioni causate da forze elettromagnetiche, espansione termica dovuta all'effetto Joule e contatto elettro-termo-meccanico.

Esempio multifisico di modellizzazione dell'estrusione di alluminio, considerando l'interazione fluido-struttura e gli sforzi termici Nel processo di estrusione dell'alluminio, vengono presi in considerazione sia l'interazione fluido-struttura che gli sforzi termici.
Esempio multifisico di un modello di trasduttore piezoacustico Questo modello di trasduttore piezoacustico risolve per la sollecitazione e la deformazione del trasduttore a partire dal carico elettrico e determina la pressione acustica generata.
Esempio di modellazione della magnetostrizione non lineare Trasduttore magnetostrittivo modellato per simulare lo sforzo e gli spostamenti nel trasduttore, oltre al campo magnetico.
Esempio di modellazione di dispositivi MEMS con il software COMSOL Multiphysics In questo esempio dispositivo digitale a microspecchi presollecitato, la forza elettrostatica sposta il corpo, mentre le estremità del braccio sono fisse in posizione.
Modello che combina le modalità di analisi strutturale e ottica Questo modello di guida d'onda fotonica mostra il cambio delle proprietà ottiche a causa dello stato tensionale. Un'analisi meccanica precede l'analisi modale elettromagnetica.

App di simulazione: personalizza gli input e gli output del modello per un processo di progettazione semplificato

Provate a pensare al tempo e all'energia che potreste dedicare a nuovi progetti se non doveste continuare a ripetere gli stessi test di simulazione per i membri del vostro team. Con l'Application Builder, integrato in COMSOL Multiphysics®, potrete creare app di simulazione che semplificheranno ulteriormente il flusso di lavoro della simulazione, consentendo di limitare gli input e controllare gli output del modello, in modo che i vostri colleghi possano eseguire in autonomia le proprie analisi.

Grazie alle app, potrete modificare facilmente un parametro di progetto, come una dimensione geometrica o una proprietà materiale, e testarlo tutte le volte che vorrete senza dover ripetere l'intera simulazione. Potrete utilizzare le app per eseguire i vostri test più rapidamente o distribuire le app agli altri membri del vostro team perché possano svolgere i loro test, lasciando a voi tempo e risorse per altri progetti.

Il processo è semplice:

  1. Trasformate il vostro modello complesso di trasferimento termico in una semplice interfaccia utente (un'app)
  2. Personalizzate l'app in base alle vostre esigenze selezionando input e output disponibili per gli utenti dell'app
  3. Utilizzate il prodotto COMSOL Server™ per catalogare le app e renderle accessibili agli altri membri del team
  4. Consentite al vostro team di eseguire analisi sul progetto senza bisogno di ulteriore assistenza

Attraverso le app di simulazione potete estendere la capacità di eseguire simulazioni ai colleghi del vostro team, della vostra organizzazione o istituto, e anche ai vostri clienti e fornitori.

App per analizzare la giunzione dei tubi In questa app per il montaggio dei tubi con interferenza, l'utente può modificare le dimensioni del tubo, la regione di sovrapposizione e il coefficiente di attrito per verificare il loro effetto sullo sforzo effettivo, sulla pressione di contatto e sulla deformazione dei tubi.

Il prossimo passo?
Richiedi una Dimostrazione
del Software

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.