機(jī)械與結(jié)構(gòu)力學(xué)中的多物理場(chǎng)仿真

康小數(shù)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是首個(gè)將有限元作為標(biāo)準(zhǔn)工具的工程領(lǐng)域,，這種精確和有效的計(jì)算方法也確實(shí)給機(jī)械和工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大幫助,。實(shí)際的力學(xué)問(wèn)題通常涉及多種相互影響的物理現(xiàn)象,，例如，由于受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱膨脹問(wèn)題,，流體與固體的相互作用問(wèn)題,，以及壓電材料中的電磁、電場(chǎng),、聲場(chǎng)等的相互作用問(wèn)題,，等等。這就需要我們?cè)诜治隽�學(xué)時(shí)考慮多物理場(chǎng)的概念,。

多物理場(chǎng)仿真已經(jīng)被越來(lái)越多的研究人員所采用,，逐漸成為制造業(yè)中高效設(shè)計(jì)、減少開(kāi)發(fā)成本,、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的一個(gè)重要環(huán)節(jié),。COMSOL 即為廣大科研及設(shè)計(jì)人員提供了這樣一款多物理場(chǎng)仿真工具，能夠輕松地將任意數(shù)量的物理場(chǎng),，如電磁,、力學(xué),、傳熱、流體流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)等,，耦合在一起,。

有很多世界知名企業(yè)，比如波音,、ABB 等公司,，都在用 COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)。

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1.熱應(yīng)力和熱膨脹

現(xiàn)代飛機(jī)的整個(gè)機(jī)身大量使用了碳纖維復(fù)合材料（如波音 787 夢(mèng)想客機(jī)）,，因?yàn)檫@種材料重量輕且具有極其出色的強(qiáng)度,。在復(fù)合結(jié)構(gòu)層合板中添加多孔金屬箔（EMF），用以消散由雷擊產(chǎn)生的過(guò)量的電流和熱量,。波音研究與技術(shù)中心（BR&T）的工程師正在利用 COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件和物理測(cè)量,，以確保受到地空飛行周期產(chǎn)生的熱應(yīng)力后 EMF 防護(hù)涂層可以保持完好無(wú)損。

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左側(cè)是來(lái)自 COMSOL 模型的復(fù)合結(jié)構(gòu)層合板，右側(cè)是多孔金屬箔的幾何,。SWD 和 LWD 對(duì)應(yīng)于菱形的短對(duì)角線和長(zhǎng)對(duì)角線,。網(wǎng)格縱橫比 SWD/LWD 是在仿真中發(fā)生改變的參數(shù)之一。

2.流固耦合

/ y1 A6 ^% z- z- Q& E近年來(lái),，出現(xiàn)了在船上利用球鼻船首來(lái)容納不同類型聲納系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，但對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)此類聲納導(dǎo)流罩內(nèi)換能器系列運(yùn)轉(zhuǎn)的干擾程度還存在疑問(wèn)。意大利造船學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)國(guó)家研究所（INSEAN）使用 COMSOL 多物理場(chǎng)仿真模型來(lái)捕捉湍流邊界層激振,。由于在模型中考慮用了球鼻船首的復(fù)合材料的復(fù)雜性以及湍流邊界層負(fù)載,，他們就能模擬湍流邊界層與球鼻船首進(jìn)行相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生得自噪聲，以減少振動(dòng)對(duì)換能器的影響,。

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球鼻船首

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左圖：對(duì)球鼻船的 1 : 8 比例模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng),。球鼻船的某個(gè)部分被替換為透明材料， 透明材料上放置了一個(gè)加速計(jì),。仿真固顯示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（右）,。

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. x  b5 K4 @( s; e3.電場(chǎng)與機(jī)械耦合
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ABB 在田納西州阿拉莫的變壓器組件專家面臨的最大問(wèn)題是要?jiǎng)?chuàng)造設(shè)計(jì)出一種供分接開(kāi)關(guān)使用的絕緣材料，使之能夠承受數(shù)千伏的應(yīng)力,。為了解決介電應(yīng)力問(wèn)題,，ABB 構(gòu)造了一個(gè)幾何模型，并將其無(wú)縫同步到 COMSOL 軟件中,。這樣,，他們便能調(diào)整大型 CAD 裝配件中的幾何，然后生成進(jìn)行大規(guī)模仿真所需的高質(zhì)量網(wǎng)格,。通過(guò)使用 COMSOL 仿真,，ABB 能夠開(kāi)發(fā)出基于實(shí)際場(chǎng)條件下執(zhí)行 100 萬(wàn)次操作的分接開(kāi)關(guān),。
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ABB 的田納西州阿拉莫設(shè)施中的真空電抗式負(fù)載分接開(kāi)關(guān)。

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使用 COMSOL Multiphysics ,在兩個(gè)相鄰相上施加電壓時(shí),，旁路開(kāi)關(guān)（處于開(kāi)路位置）和真空斷流器裝配體的介電應(yīng)力仿真,。右邊的裝配體設(shè)置為接地。

9 ]) }' F/ ^8 ?+ v4.換能器設(shè)計(jì)


工業(yè)級(jí)聲音及振動(dòng)分析會(huì)面臨多種挑戰(zhàn),，從交通和機(jī)場(chǎng)噪聲,，到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，再到風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲,，聲壓級(jí)涵蓋從低于聽(tīng)力闕值的聲壓級(jí)一直到正常大氣壓條件下的最高聲壓,。Brüel & Kjær A/S 一直是聲音與振動(dòng)測(cè)量及分析行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)在他們必須能夠設(shè)計(jì)出可滿足一系列不同測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的麥克風(fēng)和加速度計(jì)以及產(chǎn)品質(zhì)量控制,。為了能夠滿足這些要求,，公司在研發(fā)流程中加入了仿真來(lái)作為一種驗(yàn)證其設(shè)備精度和準(zhǔn)確度,，以及測(cè)試新型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法,。

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圖：左：4134 麥克風(fēng)圖片，包含振膜上方安裝的保護(hù)格柵,。右：典型麥克風(fēng)音頭的截面圖,，顯示了其中的主要零件。

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了解更多機(jī)械力學(xué)領(lǐng)域的仿真實(shí)例,，可參看：
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+ Q) x' H9 U( g+ z. i" S5 \! B0 C用戶故事集錦

COMSOL力學(xué)博客


本文所引用的例子均來(lái)源于 COMSOL,，版權(quán)歸 COMSOL 公司所有。如需轉(zhuǎn)載本文,，請(qǐng)聯(lián)系本文作者,。
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liupt888

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有限元,，學(xué)習(xí)一下

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陌上古道

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康小數(shù)

陌上古道 發(fā)表于 2015-10-20 22:06
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我看到官網(wǎng)最下方有“技術(shù)資源集錦”的鏈接，里面案例啊啥的都挺多的,，很多都是pdf格式的,，可以看下啦。
http://cn.comsol.com/resources
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余存

小白前來(lái)報(bào)到

愛(ài)貓人士薛定諤

樓主能講講和其他有限元軟件相比,， 比如ANSYS /NASTREN  ,，這個(gè)軟件的特點(diǎn)是什么？