Structural Mechanics Module

Eseguire analisi meccaniche con ampie potenzialità multifisiche

Lo Structural Mechanics Module, un prodotto aggiuntivo della piattaforma COMSOL Multiphysics®, è un pacchetto software FEA sviluppato su misura per analizzare il comportamento meccanico di strutture solide. Il modulo offre strumenti di modellazione e funzionalità per meccanica solida, dinamica e vibrazioni, modellazione dei materiali, shell, travi, contatto, fratture e altro ancora. Le aree di applicazione includono ingegneria meccanica, ingegneria civile, geomeccanica, biomeccanica e dispositivi MEMS.

Lo Structural Mechanics Module propone accoppiamenti multifisici integrati che includono stress termico, interazione fluido–struttura e piezoelettricità. La combinazione con altri moduli della suite di prodotti COMSOL permette di ottenere effetti avanzati di trasferimento del calore, fluidodinamica, acustica ed elettromagnetismo; è possibile estendere ulteriormente la modellazione per includere la simulazione di materiali specializzati e funzionalità di importazione CAD.

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Modello della connessione di un tubo che mostra la sollecitazione su un bullone nella tabella dei colori dell'arcobaleno.

Eseguire una varietà di analisi strutturali

Sono disponibili diversi tipi di analisi per prevedere le prestazioni strutturali in un ambiente virtuale. Usando lo Structural Mechanics Module, si potrà rispondere a domande riguardanti livelli di stress e di deformazione, rigidità e conformità, frequenze naturali, risposta ai carichi dinamici e instabilità di buckling, per citarne alcune.

Analisi nello Structural Mechanics Module

  • Stazionario
  • Frequenze naturali
    • senza smorzamento
    • con smorzamento
    • con precarico
  • Transitorio
    • risoluzione diretta o tramite sovrapposizione modale
  • Risposta in frequenza
    • risoluzione diretta o tramite sovrapposizione modale
    • con precarico
  • Non linearità geometrica e grandi deformazioni
  • Contatto meccanico
  • Buckling
  • Spettro di risposta
  • Vibrazione casuale
  • Component mode synthesis

Analisi generalizzate

Grafico 1D di un'analisi parametrica con lo spostamento sull'asse y e la direzione della forza sull'asse x.
Analisi parametrica

Calcolare un modello con più parametri di input per confrontare i risultati.

Visualizzazione in primo piano di due modelli di staffe che mostrano la geometria originaria e la geometria ottimizzata finale.
Ottimizzazione

Ottimizzare le dimensioni geometriche, la forma, la topologia e altre quantità con l'Optimization Module.

Elementi finiti

Lo Structural Mechanics Module offre una suite completa di strumenti di modellazione per i diversi tipi di analisi strutturali. Si basa sul metodo degli elementi finiti e comprende non solo funzionalità per modellare solidi 3D, ma anche formulazioni 2D (stress piano, deformazione piano, deformazione piano generalizzata e simmetria assiale). Allo stesso modo, ci sono funzionalità per shell e piastre, membrane, barre, tubi, travi, cavi e transizioni tra tutte queste diverse formulazioni.

Per la modellazione di solidi 3D, sono disponibili molte opzioni per le forme e gli ordini degli elementi. Sono disponibili elementi a triangolo, quadrato, tetraedro, esagono, prisma e piramide. È possibile scegliere tra elementi di primo, secondo e più alto ordine e, per l'analisi multifisica, elementi di ordine misto.

Caratteristiche e funzionalità dello Structural Mechanics Module

Lo Structural Mechanics Module offre caratteristiche e funzionalità specializzate per l'esecuzione di svariate analisi strutturali e si integra perfettamente nella piattaforma COMSOL Multiphysics® assicurando un flusso di lavoro coerente per la costruzione di modelli.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Solid Mechanics evidenziato e un modello di connessione di un tubo nella finestra Graphics.

Meccanica dei solidi

Le opzioni per la modellazione della meccanica solida includono il 3D completo, il 2D (sollecitazione piana, deformazione piana e deformazione piana generalizzata) e la simmetria assiale 2D, e forniscono l'approccio più generale all'analisi delle strutture solide con accoppiamenti multifisici integrati a molte aree fisiche diverse. È disponibile un'ampia varietà di modelli di materiale per descrivere accuratamente qualsiasi problema di meccanica solida, ed è facile estendere queste funzionalità attraverso la modellazione basata su equazioni. È possibile definire le proprietà dei materiali con espressioni costanti, variabili nello spazio, anisotrope o non lineari, tabelle di ricerca o combinazioni di queste. Gli elementi possono essere attivati e disattivati in base alle espressioni definite dall'utente.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Solid-Shell Connection e un modello di staffa nella finestra Graphics.

Shell e membrane

Per le strutture sottili, l'uso di elementi shell (3D, 2D assialsimmetrico) e plate (2D) può essere molto efficiente. Le formulazioni permettono le deformazioni trasversali a taglio necessarie per modellare shell spessi. Si può prescrivere un offset nella direzione normale a una superficie selezionata, il che semplifica la modellazione quando si lavora con una rappresentazione 3D completa della geometria. I risultati delle analisi degli elementi shell possono essere presentati come una rappresentazione solida completa.

Strutture molto sottili, come film sottili e tessuti, richiedono una formulazione senza rigidità alla flessione. Questo è possibile nell'interfaccia Membrane, in cui gli elementi curvi di sollecitazione piana in 3D o 2D assialsimmetrico sono usati per calcolare gli spostamenti sul piano e fuori dal piano, inclusi gli effetti delle increspature. Quando si studia questo tipo di struttura, la capacità di partire da uno stato precompresso è ampiamente utilizzata.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Elastic Waves, Time Explicit evidenziato e un modello Earth nella finestra Graphics.

Onde elastiche

Si può modellare la propagazione delle onde elastiche in solidi isotropi, ortotropi, anisotropi e piezoelettrici, per applicazioni monofisiche o multifisiche, come il controllo delle vibrazioni, i test non distruttivi (NDT) o il feedback meccanico. Le aree di applicazione vanno dai problemi micromeccanici alla propagazione delle onde sismiche.

L'interfaccia Solid Mechanics usa una formulazione dinamica strutturale completa che tiene conto degli effetti delle onde di taglio e di pressione nei solidi e analizza le onde elastiche. Le condizioni di porta meccanica possono essere usate per eccitare e assorbire i modi di propagazione nelle strutture a guida d'onda e per calcolare la matrice di dispersione di un componente. Le condizioni al contorno assorbenti e gli strati perfettamente accoppiati (PML) permettono una modellazione efficiente di domini non delimitati.

L'interfaccia Elastic Waves, Time Explicit è dedicata a problemi di propagazione di onde elastiche lineari transitorie su grandi domini contenenti molte lunghezze d'onda. L'interfaccia usa un metodo esplicito nel tempo di ordine superiore dG-FEM, è abilitata alla multifisica e può essere accoppiata senza problemi a domini di fluidi.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Viscoelasticity e un modello di smorzatore nella finestra Graphics.

Modelli di materiali

Lo Structural Mechanics Module fornisce modelli di materiali elastici lineari, viscoelastici e piezoelettrici, ma offre anche l'accesso a una vasta gamma di modelli di materiali non lineari, inclusi quelli iperelastici ed elastoplastici, aggiungendo il Nonlinear Structural Materials Module o il Geomechanics Module.

Inoltre, sono disponibili molte possibilità per estendere i modelli di materiali esistenti o creare i propri. Si possono inserire espressioni che dipendono da stress, deformazione, coordinate spaziali, tempo o campi provenienti da un'altra interfaccia fisica direttamente nel campo di input per una proprietà del materiale. Nelle analisi nel dominio della frequenza, si possono inserire espressioni con valori complessi. Si possono, per esempio, aggiungere equazioni differenziali personalizzate per fornire contributi di deformazione anelastica.

I modelli dei materiali possono includere espansione termica, rigonfiamento igroscopico, sollecitazioni e deformazioni iniziali, così come diversi tipi di smorzamento. Le proprietà dei materiali possono essere isotrope, ortotrope o completamente anisotrope. È possibile includere il proprio modello di materiale fornendo funzioni esterne codificate nel linguaggio di programmazione C.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Boundary Load evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Carichi e vincoli

Lo Structural Mechanics Module fornisce una moltitudine di differenti opzioni di carichi e vincoli, che facilitano la modellazione ad alta fedeltà. Si possono definire carichi distribuiti su domini, superfici e bordi, carichi dipendenti e carichi mobili. È possibile specificare una forza totale, includere la gravità o la massa aggiunta e includere strutture rotanti con forze centrifughe, Coriolis ed Eulero.

Per vincolare il modello, ci sono molle e smorzatori, così come spostamenti prescritti, velocità e accelerazione. Le condizioni al contorno periodiche, frontiere a basso indice di riflessione, strati perfettamente accoppiati (PML) ed elementi infiniti aiutano a ridurre le dimensioni del modello per una modellazione efficiente.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Displacement evidenziato e un modello di telaio in acciaio nella finestra Graphics.

Dinamica e vibrazioni

Lo Structural Mechanics Module include l'analisi transitoria e l'analisi di risposta in frequenza. L'analisi di risposta in frequenza include le analisi di frequenze proprie, di frequenze proprie smorzate e di sweep di frequenza. Inoltre, sono disponibili tipi di studio specializzati per la vibrazione casuale e l'analisi dello spettro di risposta. L'analisi delle vibrazioni casuali permette input basati sulla densità spettrale di potenza (PSD) in funzione della frequenza, compresi i carichi non correlati e quelli completamente correlati. Un esempio tipico è il carico del vento su una torre. L'analisi dello spettro di risposta è usata come metodo efficiente per determinare la risposta strutturale a brevi eventi non deterministici come terremoti e scosse elettriche. Il metodo CMS (Component Mode Synthesis), noto anche come sottostrutturazione dinamica, riduce i componenti lineari in modelli di ordine ridotto computazionalmente efficienti utilizzando il metodo Craig-Bampton. Questi componenti possono quindi essere utilizzati in analisi dinamiche o stazionarie, riducendo il tempo di calcolo e l'utilizzo della memoria.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Cross-Section Data evidenziato e un modello a traliccio nella finestra Graphics.

Travi, tubi e barre

Ci sono tipi di elementi specifici per la modellazione di travi, descritti dalle proprietà della loro sezione trasversale. Sono disponibili formulazioni sia per travi sottili (teoria di Eulero e Bernoulli) che per travi spesse (teoria di Timoshenko). Accoppiamenti predefiniti permettono di combinare travi con altri tipi di elementi per studiare rinforzi per strutture solide e a shell. È disponibile una libreria di tipi di sezioni trasversali comuni ed è possibile modellare sezioni trasversali generali.

Inoltre, lo Structural Mechanics Module permette di modellare strutture snelle che possono sostenere solo forze assiali (truss). Questi elementi possono anche essere usati per modellare cavi e rinforzi cedevoli.

L'analisi strutturale dei tubi è simile a quella delle travi, ma con l'aggiunta di una pressione interna che di solito contribuisce significativamente alle sollecitazioni in un tubo. Inoltre, i gradienti di temperatura di solito si verificano attraverso la parete del tubo, piuttosto che attraverso l'intera sezione. I carichi dalla pressione interna e dalle forze di trascinamento possono essere presi direttamente dai risultati di un'analisi termica e di flusso nel tubo usando il Pipe Flow Module.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Contact e un modello di arco nella finestra Graphics.

Contatto e attrito

Situazioni in cui gli oggetti entrano in contatto tra loro si verificano frequentemente nelle simulazioni meccaniche. Le analisi statiche e dinamiche possono includere la modellazione del contatto e gli oggetti in contatto possono avere spostamenti relativi arbitrariamente grandi. Inoltre, si possono modellare gli effetti dell'attrito, sia di adesione che di scorrimento.

La funzionalità di analisi del contatto include anche la possibilità di prevedere l'adesione e la decoesione tra gli oggetti in contatto, e di modellare la rimozione di materiale per usura quando gli oggetti stanno scivolando l'uno rispetto all'altro.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Damage e un modello di trave intagliata nella finestra Graphics.

Meccanica della frattura

Sono supportati diversi approcci alla modellazione delle cricche. Una cricca può essere infinitamente sottile e rappresentata da un unico confine o rappresentata da superfici disgiunte nella geometria. Una cricca può avere un numero qualsiasi di rami e fronti di cricca corrispondenti.

Gli integrali J e i fattori di intensità delle sollecitazioni possono essere calcolati in 2D e 3D. Si può anche imporre un carico sulle facce della cricca.

Aggiungendo il Nonlinear Structural Materials Module o il Geomechanics Module, si possono modellare il danno e la rottura nei materiali fragili secondo diversi criteri.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Bolt Thread Contact e un modello di tappo del cuscinetto nella finestra Graphics.

Funzionalità ingegneristiche

Nello Structural Mechanics Module, si trovano diverse funzionalità di ingegneria strutturale che aiutano a creare modelli del mondo reale più rapidamente. Tali funzionalità includono condizioni al contorno come connettori rigidi per la modellazione di regioni rigide e vincoli cinematici, bulloni con pretensione, linearizzazione delle sollecitazioni per l'analisi di recipienti a pressione e altro ancora.

  • Connettore rigido
  • Dominio rigido
  • Gestione automatica degli elementi RBE2 da importazione NASTRAN®
  • Pretensionamento dei bulloni
  • Modellazione del contatto della filettatura del bullone
  • Linearizzazione delle sollecitazioni
  • Espressioni del fattore di sicurezza
  • Calcolo delle forze di sezione a taglio attraverso un solido
  • Casi di carico
  • Sovrapposizione di casi di carico
  • Calcolo delle proprietà effettive dei materiali
    • Utilizzo di elementi di volume rappresentativi (RVE)

Moduli aggiuntivi dello Structural Mechanics Module

Analisi specializzate, completamente integrate con l'ambiente software COMSOL Multiphysics®.

Il Nonlinear Structural Materials Module e il Geomechanics Module estendono la funzionalità dello Structural Mechanics Module con più di 100 diversi modelli di materiali non lineari.

È possibile aggiungere il Composite Materials Module per analizzare strutture sottili e stratificate (materiali compositi), come plastica rinforzata con fibre, piastre laminate e pannelli sandwich che si trovano in componenti di aerei, pale eoliche, componenti di automobili e altro.

Si aggiunga il Fatigue Module per calcolare la vita a fatica delle strutture: fatica ad alto ciclo, basata sullo stress, e fatica a basso ciclo, basata sullo sforzo o sull'energia. Ci sono funzionalità per il conteggio dei cicli rainflow, danni cumulativi e fatica multiassiale e da vibrazioni.

Si può aggiungere il Rotordynamics Module per modellare macchine rotanti dove le asimmetrie possono portare a instabilità e risonanze dannose. Si possono incorporare componenti del rotore come dischi, cuscinetti e fondazioni, e analizzare i risultati con diagrammi di Campbell, orbite, diagrammi a cascata e diagrammi a vortice.

Importazione di progetti da software CAD di terze parti

Scegli tra diversi prodotti di interfacciamento da collegare a COMSOL Multiphysics®.

È possibile importare una varietà di formati CAD standard in COMSOL Multiphysics® per l'analisi di simulazione utilizzando il CAD Import Module. Le funzionalità disponibili includono opzioni per riparare e semplificare la geometria CAD, in modo da prepararla alla mesh e all'analisi, così come l'accesso al kernel geometrico Parasolid® per opzioni solide avanzate. Anche il Design Module comprende queste caratteristiche; permette inoltre di eseguire le seguenti operazioni CAD 3D: loft, raggi di raccordo, smussi, midsurface e thicken.

Potete scegliere da una linea di prodotti di interfacciamento, conosciuta come prodotti LiveLink™, con cui è possibile sincronizzare il modello CAD-nativo per l'uso nel software COMSOL®. Potete anche aggiornare simultaneamente i parametri della geometria sia nel sistema CAD che in COMSOL Multiphysics®, o eseguire sweep parametrici e ottimizzazione su diversi parametri di modellazione.

Accoppiamenti multifisici per analisi di meccanica strutturale

Combina facilmente due o più interazioni fisiche, tutte all'interno dello stesso ambiente software.

Visualizzazione in primo piano del campo di temperatura di un modello di statore di una turbina.

Sforzi termici

Sollecitazione ed espansione termica, con un campo di temperatura dato o calcolato, in solidi e shell.

Visualizzazione in primo piano di un esempio multifisico di modellazione dell'estrusione di alluminio che tiene conto di FSI e sollecitazioni termiche.

Interazione fluido–struttura (FSI)

Accoppiamenti unidirezionali o bidirezionali tra un fluido e una struttura solida, comprese la pressione del fluido e le forze viscose.

Visualizzazione in primo piano delle sollecitazioni residue di un modello di ingranaggi cilindrici.

Trattamento dei metalli1

Sollecitazioni e deformazioni di materiali dipendenti dalla composizione di fase durante la tempra dell'acciaio e altri processi di trattamento termico.

Visualizzazione in primo piano del meccanismo dell'ingranaggio differenziale di un modello.

Multibody Dynamics2

Un ampio set di strumenti per la simulazione di sistemi misti di corpi flessibili e rigidi.

Visualizzazione in primo piano del modello di un attuatore piezoelettrico che mostra la deformazione e la deflessione della punta.

Piezoelettricità

Dispositivi piezoelettrici che includono componenti metallici e dielettrici.

Visualizzazione in primo piano di un modello di trasduttore piezoacustico che mostra la pressione acustica.

Interazione acustica–strutturale3

Interazioni solide–acustiche, acustiche–shell e piezo–acustiche, oltre a vibrazioni e propagazione di onde elastiche.

Visualizzazione in primo piano di un modello di pozzo multilaterale che mostra l'entità dello spostamento.

Poroelasticità4

Flusso in mezzi porosi accoppiato alla meccanica solida per modellare gli effetti poroelastici.

Visualizzazione in primo piano del modello di un sensore di pressione che mostra l'entità dello spostamento.

Rigonfiamento igroscopico

Assorbimento di umidità e rigonfiamento igroscopico nei polimeri e nelle batterie.

Visualizzazione in primo piano di un modello a microspecchi che mostra la deformazione e la mesh di volume.

MEMS5

Piezoresistività, deflessione elettromeccanica dovuta a forze elettrostatiche ed elettrostrizione.

Visualizzazione in primo piano di un modello di trasduttore magnetostrittivo che mostra lo stress, lo spostamento e il campo magnetico.

Materiali elettromagnetici6

Dispositivi elastici magnetostrittivi, elettrostrittivi e ferroelettrici.

Visualizzazione in primo piano di un modello di circuito di riscaldamento che mostra lo stress e la deformazione.

Elettromagnetismo in bassa frequenza6

Deformazioni in dispositivi elettronici e motori elettrici dovute a forze elettromagnetiche.

Visualizzazione in primo piano di un modello di filtro a cavità che mostra la temperatura e le sollecitazioni termiche.

RF e componenti per microonde7

Deformazione meccanica e stress che influenzano le prestazioni di dispositivi e componenti RF e a microonde, come i filtri.

Visualizzazione in primo piano di una guida d'onda fotonica che mostra l'effetto ottico da stress.

Effetti ottici da sforzo8

Birifrangenza indotta da stress nelle guide d'onda.

Visualizzazione in primo piano di un modello di lente Petzval che mostra i raggi a tre diverse angolazioni.

Analisi STOP9

Analisi delle prestazioni strutturali-termo-ottiche (STOP) su sistemi ottici.

  1. Richiede il Metal Processing Module
  2. Richiede il Multibody Dynamics Module
  3. Richiede l'Acoustics Module
  4. Richiede il Porous Media Flow Module o il Subsurface Flow Module
  5. Richiede il MEMS Module
  6. Richiede l'AC/DC Module
  7. Richiede l'RF Module
  8. Richiede il Wave Optics Module
  9. Richiede il Ray Optics Module

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.

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