Structural Mechanics Module

Per le analisi di meccanica strutturale

Structural Mechanics Module

Analisi della frequenza propria di una biella per illustrare l'angolo di torsione lungo la biella alla minima frequenza propria.

Analisi strutturale statica, transitoria e nel dominio delle frequenze

Lo Structural Mechanics Module è dedicato all'analisi di strutture meccaniche soggette a carichi statici o dinamici. Può essere utilizzato per una vasta gamma di analisi, incluse quelle stazionarie e transitorie, le analisi agli autovalori/modali, le analisi parametriche, quasi-statiche, di risposta in frequenza, instabilità e precarico.

I prodotti aggiuntivi potenziano e completano l'analisi strutturale

Lo Structural Mechanics Module offre interfacce utente per eseguire analisi nei sistemi di coordinate 2D, 2D assialsimmetrico e 3D per solidi, shell (3D), piastre (2D), bielle (2D, 3D), membrane (2D assialsimmetrico, 3D) e travi (2D, 3D). Queste consentono di effettuare analisi in grandi deformazioni con nonlinearità geometriche, contatto meccanico, deformazione termica, materiali piezoelettrici e interazione fluido-struttura (FSI). Per eseguire l'analisi di materiali con comportamento non lineare sono disponibili due prodotti aggiuntivi – il Nonlinear Structural Materials Module e il Geomechanics Module. Per la valutazione della resistenza a fatica, è possibile sfruttare il Fatigue Module, mentre per modellare la dinamica di corpi rigidi e deformabili si può utilizzare il Multibody Dynamics Module. Lo Structural Mechanics Module può essere associato anche a COMSOL Multiphysics e ad altri moduli specifici per le varie applicazioni, permettendo così l'accoppiamento delle analisi strutturali con una vasta gamma di fenomeni multifisici, tra cui l'interazione di strutture meccaniche con campi elettromagnetici, la fluidodinamica e le reazioni chimiche.


Altre immagini:

  • Il calcolo delle frequenze proprie di una girante è realizzato simulando solo una delle pale e utilizzando le condizioni al contorno periodiche integrate. Il calcolo delle frequenze proprie di una girante è realizzato simulando solo una delle pale e utilizzando le condizioni al contorno periodiche integrate.
  • Analisi strutturale transitoria di uno smorzatore costituito da materiale viscoelastico. Analisi strutturale transitoria di uno smorzatore costituito da materiale viscoelastico.
  • Bulloni precaricati generano forze di trazione e, di conseguenza, sforzi in una flangia. Bulloni precaricati generano forze di trazione e, di conseguenza, sforzi in una flangia.
  • FSI - Un pannello fotovoltaico soggetto al carico del vento illustra l'accoppiamento fluido-struttura. FSI - Un pannello fotovoltaico soggetto al carico del vento illustra l'accoppiamento fluido-struttura.
  • Analisi del contatto tra le sfere e la gabbia in un giunto omocinetico e delle grandi deformazioni che ne derivano. Modello per gentile concessione di Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne, Italia. Analisi del contatto tra le sfere e la gabbia in un giunto omocinetico e delle grandi deformazioni che ne derivano. Modello per gentile concessione di Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne, Italia.
  • Lo studio di una pala rotante dimostra come l'effetto combinato dell'irrigidimento sotto sforzo e dell'intenerimento per rotazione modifichino le frequenze proprie fondamentali. Lo studio di una pala rotante dimostra come l'effetto combinato dell'irrigidimento sotto sforzo e dell'intenerimento per rotazione modifichino le frequenze proprie fondamentali.

Modelli di materiale

I modelli costitutivi dello Structural Mechanics Module includono materiali elastici lineari e viscoelastici, così come materiali ortotropi e materiali con smorzamento. Il set di modelli di materiale incluso in questo modulo può essere ampliato con l'aggiunta del Nonlinear Structural Materials Module e del Geomechanics Module, per l'analisi delle grandi deformazioni plastiche, di materiali iperelastici, plasticità, creep, viscoplasticità, rocce, calcestruzzo e terreno. L'interfaccia utente intuitiva di COMSOL offre la massima flessibilità per la specificazione di materiali definiti dall'utente. In molti casi, l'approccio tradizionale che implica l'implementazione di subroutine da parte dell'utente può essere sostituito con l'inserimento diretto nell'interfaccia grafica utente delle equazioni costitutive attraverso espressioni matematiche nelle variabili di campo, invarianti di sforzo e di deformazione e quantità derivate. Ad esempio, il modulo di Young non deve necessariamente essere una costante, ma può essere una funzione di qualsiasi variabile di campo e delle sue derivate. Le proprietà del materiale possono variare nello spazio o nel tempo o essere descritte mediante espressioni dai valori complessi.

Strumenti di modellazione di carichi, vincoli e specializzati ad alte prestazioni

Sono disponibili molte tipologie di carichi e vincoli tra cui scegliere, quali forza totale, carichi di pressione, carichi distribuiti, molle e smorzatori, massa aggiunta, spostamento, velocità e accelerazione imposti. Per modellare componenti elastici sottili si può utilizzare la speciale interfaccia Lamina elastica sottile. Sono inoltre disponibili speciali condizioni di dominio rigido e contorno rigido per unire strutture rigide e deformabili grazie alle funzionalità aggiuntive offerte dal Multibody Dynamics Module. Per modellare una struttura più piccola incorporata o posta sopra un grande substrato di materiale elastico, è possibile utilizzare gli Elementi infiniti. Questi simulano l'assorbimento delle sollecitazioni a lento decadimento e permettono di modellare domini più piccoli troncati senza perdere accuratezza, garantendo così la possibilità di simulare in modo estremamente efficiente strutture di grandi dimensioni.

Meccanica dei solidi

L'interfaccia Meccanica dei solidi dello Structural Mechanics Module identifica le quantità e le funzionalità per l'analisi degli sforzi e per la meccanica dei solidi generale lineare e non lineare, risolvendo negli spostamenti. Il materiale elastico lineare è il modello di materiale predefinito. Altri modelli di materiale disponibili sono l'iperelasticità (in questo caso è richiesto il Nonlinear Structural Materials Module) e la viscoelasticità lineare. È anche possibile estendere il modello di materiale elastico inserendo la dilatazione termica, lo smorzamento, gli sforzi e/o le deformazioni iniziali. Le deformazioni anelastiche generali possono essere definite facilmente inserendole come contributi aggiuntivi alla deformazione iniziale e possono anche essere funzioni di qualsiasi altro campo fisico, dall'elettromagnetismo alla fluidodinamica. La descrizione dei materiali elastici nel modulo include materiali isotropi, ortotropi e completamente anisotropi. Ogni parametro del materiale può essere descritto da una costante, da variabili, per mezzo di tabelle ed espressioni composite e non lineari che possono variare nel tempo e nello spazio. COMSOL Multiphysics è in grado di interpretare tutte le espressioni e ciò consente di rimanere all'interno dell'ambiente di COMSOL Desktop® per eseguire operazioni di modellazione avanzate, senza la necessità di ricorrere alla programmazione.

Grandi deformazioni e contatto meccanico

Lo Structural Mechanics Module consente di modellare grandi deformazioni con nonlinearità geometriche e carichi distribuiti. I carichi possono anche dipendere da altri fenomeni fisici, quali le forze elettromagnetiche o fluidodinamiche. Naturalmente è disponibile anche il contatto meccanico, abilitato per la multifisica. Ad esempio, si possono includere nelle analisi il flusso termico (è richiesto l'Heat Transfer Module) o le correnti elettriche (è richiesto l'AC/DC Module) attraverso le superfici di contatto e applicare le tensioni di contatto per simulare l'entità della corrente piuttosto che dello scambio termico.

Elementi shell, piastre e membrane

Gli elementi shell, basati sulla formulazione di Reissner-Mindlin, sono disponibili per l'analisi strutturale di strutture a pareti sottili e includono la modellazione di deformazioni a taglio trasversali, in modo che sia possibile simulare anche strutture shell spesse. È anche possibile imporre un offset nella direzione normale a una superficie selezionata. L'interfaccia Shell include anche altre funzionalità come smorzamento, dilatazione termica e tensioni e deformazioni iniziali. Gli studi predefiniti disponibili sono gli stessi dell'interfaccia Meccanica dei solidi. Similmente all'interfaccia Shell, l'interfaccia Piastra agisce in un unico piano, ma generalmente soltanto con carichi fuori-piano.

L'interfaccia Membrana modella elementi curvi in 3D in stato di sforzo piano, che possono deformarsi in entrambe le direzioni in piano e fuori-piano. La differenza tra un elemento shell e una membrana è che quest'ultima non ha alcuna rigidità flessionale. Questa interfaccia è adatta alla modellazione di strutture come film sottili e tessuti.

Vibrazioni, acustica e onde elastiche

Sono disponibili varie funzionalità per l'analisi delle vibrazioni, accoppiate eventualmente all'acustica mediante l'Acoustics Module. Quando si combinano lo Structural Mechanics Module e l'Acoustics Module, si ha a disposizione uno strumento dedicato per le interazioni acustica-shell. L'Acoustics Module offre altre interfacce fisiche per le interazioni solido-acustica e piezo-acustica. Per la propagazione di onde elastiche all'interno di un materiale, lo Structural Mechanics Module offre superfici a bassa riflessione e 'perfectly matched layers' (PML) dove le onde elastiche uscenti sono simulate mentre vengono assorbite. Questa funzionalità agevola la modellazione di onde che si propagano verso l'esterno da una struttura vibrante in un mezzo relativamente grande o infinito.

Valutazione della fatica

L'aggiunta del Fatigue Module alle analisi di meccanica strutturale consente di eseguire le verifiche relative alla resistenza a fatica strutturale. E' possibile effettuare analisi di fatica ad alto e basso numero di cicli e analisi del danno cumulativo. Il Fatigue Module è strettamente integrato con lo Structural Mechanics Module; per i calcoli di meccanica strutturale e della fatica non è necessario abbandonare l'ambiente di COMSOL Desktop®. Questo modulo può essere utilizzato con le interfacce Meccanica dei solidi, Shell, Piastra e Dinamica multicorpo e con altre interfacce fisiche che simulano le sollecitazioni termiche e il riscaldamento per effetto Joule insieme a dilatazione termica e dispositivi piezoelettrici.

Travi e Bielle

Gli elementi trave nello Structural Mechanics Module sono destinati all'analisi di strutture snelle (travi) che possono essere completamente descritte attraverso le proprietà della sezione trasversale, ad esempio da aree e momenti di inerzia. Simulano strutture in piano e in 3D e possono essere accoppiati con altri tipi di elementi, ad esempio per analizzare i rinforzi di strutture solide e shell (gusci). L'interfaccia Trave include una libreria per sezioni di trave rettangolare, parallelepipeda, circolare, cilindrica, profilo a H, profilo a U e profilo a T. Altre funzionalità includono smorzamento, dilatazione termica, tensioni e deformazioni iniziali. Un'interfaccia fisica 2D separata, denominata Sezioni trasversali di trave, consente di valutare le proprietà di sezioni trasversali 2D arbitrarie da utilizzare come valori di input nelle analisi delle travi.

Gli elementi Biella possono essere utilizzati per modellare strutture snelle in grado di sopportare solamente azioni assiali. Le bielle permettono di considerare deformazioni sia piccole sia grandi. Esempi di tali strutture sono opere di tralicci con bielle e cavi soggetti alle forze di gravità (incurvati). Tra le funzionalità aggiuntive contenute in questa interfaccia troviamo smorzamento, dilatazione termica, tensioni e deformazioni iniziali.

Sforzi termici

Sebbene lo Structural Mechanics Module possa essere integrato con altri moduli aggiuntivi per modellare un'ampia gamma di applicazioni che coinvolgono fisiche diverse dalla meccanica strutturale, tuttavia esso include già diverse interfacce multifisiche per analisi specifiche. Ad esempio, l'interfaccia Sforzi termici è simile all'interfaccia Meccanica dei solidi, con l'aggiunta di un modello di materiale termico elastico lineare. Questa interfaccia può essere utilizzata in combinazione con varie interfacce Trasferimento di calore per accoppiare il campo di temperatura alla dilatazione (materiale) di una struttura. La speciale interfaccia multifisica Riscaldamento Joule e dilatazione termica combina invece lo sforzo termico e il riscaldamento Joule per descrivere la conduzione di corrente elettrica in una struttura, il successivo riscaldamento elettrico causato dalle perdite ohmiche nella struttura e gli sforzi termici indotti dal campo di temperatura.

Funzionalità di modellazione meccanica aggiuntive in altri moduli

Il MEMS Module offre strumenti dedicati per simulazioni strutturali specifiche per i sistemi micromeccanici. Contiene interfacce fisiche per piezoresistività, deflessione elettromeccanica, vibrazione termoelastica e altri strumenti di modellazione più avanzati per l'analisi di dispositivi piezoelettrici. Dal punto di vista dell'analisi meccanica, l'Acoustics Module tratta le vibrazioni strutturali in combinazione con le onde di pressione acustica e la propagazione delle onde elastiche e poroelastiche. Il Subsurface Flow Module potenzia l'interfaccia Meccanica dei solidi con la poroelasticità combinata al flusso in mezzi porosi.

CAD e ottimizzazione

Il CAD Import Module consente di importare una vasta gamma di formati CAD standard e di eseguire operazioni di pulitura e riparazione della geometria per preparare i modelli CAD alle fasi di mesh e all'analisi. Il CAD Import Module fornisce anche il noto kernel di geometria Parasolid® per operazioni sui solidi più avanzate rispetto a quelle supportate dal kernel nativo di COMSOL. Per la simulazione meccanica di strutture elettroniche, l'ECAD Import Module offre l'importazione dei layout elettronici. Quando si analizza un componente meccanico o un assemblato, è importante conservare il modello parametrico CAD nativo per eseguire gli studi e l'ottimizzazione dei parametri senza doverli ricostruire. Ciò è possibile grazie ai prodotti LiveLink per CAD disponibili per molti dei principali sistemi CAD: SOLIDWORKS®, Inventor®, AutoCAD®, PTC® Creo® Parametric, PTC® Pro/ENGINEER® e Solid Edge®. Questi prodotti offrono aggiornamenti simultanei dei parametri geometrici nel sistema CAD e in COMSOL e consentono gli sweep parametrici e l'ottimizzazione di diversi parametri di modellazione. L'inclusione dell'Optimization Module abilita l'ottimizzazione automatica delle misure geometriche, dei carichi al contorno o delle proprietà del materiale.

Dispositivi piezoelettrici

L'interfaccia Dispositivi piezoelettrici combina le funzionalità di modellazione della meccanica dei solidi e dell'elettrostatica di COMSOL per la modellazione di materiali piezoelettrici. L'accoppiamento piezoelettrico può presentarsi nella forma carica-sforzo o carica-deformazione con calcoli completamente accoppiati di sweep nelle frequenze, autovalori e analisi transitorie. Tutte le funzionalità di meccanica dei solidi e di elettrostatica sono accessibili tramite questa interfaccia fisica per modellare, ad esempio, i domini circonstanti come materiali elastici lineari o aria, così come gli strati dielettrici.

Interazione fluido-struttura (FSI)

L'interfaccia multifisica Interazione fluido-struttura (FSI) combina la fluidodinamica alla meccanica dei solidi per descrivere l'interazione tra un fluido e una struttura solida. Le interfacce Meccanica dei solidi e Flusso laminare modellano rispettivamente il solido e il fluido. Gli accoppiamenti FSI appaiono sulle superfici di separazione tra il fluido e il solido e possono includere sia la pressione del fluido e le forze viscose, sia il trasferimento della quantità di moto dal solido al fluido (FSI bidirezionale). Il metodo utilizzato per la FSI è noto come formulazione lagrangiana-euleriana arbitraria (ALE).

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