構造力学モジュールアップデート

構造力学モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン5.6には, ダイナミック接触解析, 亀裂をモデル化するための組み込み機能, および機械的摩耗を解析するための新しい方法が含まれています. これらや, 他の構造力学の更新については, 以下をご覧ください.

ダイナミック接触

ダイナミック接触の新しいアルゴリズムは, 過渡的な接触イベント中の運動量とエネルギーの保存を大幅に改善します. これは, 以前のバージョンよりも大幅に大きな時間ステップで, 過渡的な接触の問題を正確にモデル化できることを意味します. 新しい方法にアクセスするには, 接触ノードでペナルティのダイナミックまたは拡張ラグランジュのダイナミック定式化を選択します. この機能は Impact Between Two Soft Rings and Impact Analysis of a Golf Ball チュートリアルモデルで確認できます.

亀裂のモデリング

固体力学インターフェースで利用可能な新しい亀裂ノードは, さまざまなタイプの破壊力学シミュレーションに使用できます. 内部境界に適用すると, 2つの側面が切断されます. 亀裂は理想的であるか, ジオメトリ内の別々の面でモデル化することができます. J積分サブノードを追加することにより, 2D, 2D 軸対称, および3DでJ積分と応力拡大係数を計算できます. 亀裂面に荷重を規定するために, 特別な面荷重サブノードを使用できます. この新機能は, 次のモデルで確認できます.

Two views of a branched crack model, where the left side shows the von Mises stress in rainbow and with black arrows pointing up, down, right, and left; and the right side shows black lines and red arrows and the following J-integral values: 1265.2, 2591.3, and 1508.5.
均一な応力場における分岐亀裂. 左:フォンミーゼス応力. 右:積分パスとJ積分の計算値を含むデフォルトのプロット

摩耗のシミュレーション

機械的摩耗をモデル化する方法が, 接触ノードの下のサブノードとして新しい摩耗ノードの中で追加されました. 固体力学およびマルチボディダイナミクスインターフェースで利用できます. 摩耗率は, 一般化された Archard 方程式に基づいています. 摩耗モデリングには2つのアルゴリズムがあります. 一般的な摩耗, および摩耗による任意の形状変化には, 変形形状アプローチが使用されます. 摩耗が接触ギャップのオフセットに組み込まれる単純化されたアプローチもあります. 新しい Disc Brake Pad Wear チュートリアルモデルで摩耗機能を確認できます.

ディスクブレーキパッドの摩耗の進展 (速度の矢印は可視化のみを目的としています).

埋込補強

新しい埋込補強マルチフィジックスカップリングを使用すると, トラスまたは梁インターフェースからのエッジ要素, およびメンブレインインターフェースからの表面要素を, 固体力学でモデル化されたドメインに挿入できます. 低次元インターフェースのメッシュは, ドメインメッシュから独立しています. 目的は, たとえば, 埋め込まれた鉄筋やセンサーなどの構造をモデル化することです. 接続は, 完全に固定または柔軟にすることができます. 埋め込まれた要素と周囲の固体の間の剥離をモデル化することもできます. この新しいカップリングは, 鉄筋を使用した更新された Concrete Beam with Reinforcement Bars のチュートリアルモデルで確認できます.

The COMSOL Multiphysics version 5.6 UI showing the Model Builder, Embedded Reinforcement settings, and a concrete beam model with reinforcements shown in rainbow in the Graphics window.
埋め込まれた鉄筋マルチフィジックスカップリングを使用することによる, コンクリート梁に埋め込まれた鉄筋の軸応力

電歪マルチフィジックスインターフェース

新しい電歪マルチフィジックスインターフェースを使用すると, 電歪現象, つまり, 分極の2乗に比例するひずみが電界によって誘導される状況をモデル化できます. このインターフェースは, 新しい電歪マルチフィジックスカップリングとともに, 固体力学および静電気インターフェースを追加します. 静電気学では, 標準の電荷保存則材料モデルが使用されます. この機能を使用するには, AC/DC モジュールが必要です.

強誘電弾性マルチフィジックスインターフェース

新しい強誘電性マルチフィジックスインターフェースは, 非線形圧電特性を示す強誘電体材料の分析を目的としています. このマルチフィジックスインターフェースは, 新しい電歪マルチフィジックスカップリングとともに, 固体力学および静電気インターフェースを追加します. 静電気学では, 新しい電荷保存則, 強誘電体材料モデルを使用して, たとえば, Jiles-Atherton モデルを使用してヒステリシスをシミュレートします. このインターフェースは Hysteresis in Piezoelectric Ceramics のチュートリアルモデルで使用されています. この機能を使用するには, AC/DC モジュールが必要です.

A closeup view of the COMSOL Multiphysics version 5.6 UI with the Model Builder; Charge Conservation, Ferroelectric settings; a blue geometry in the Graphics window; and a point graph of the electrostrictive strain tensor.
3つの異なる振幅を持つ調和的に変化する電界の関数としての電歪ひずみの変化の例

パイプ力学のための遷移マルチフィジックスカップリング

パイプ力学インターフェースからシェルおよび固体力学インターフェースへの移行を容易にするために, 新しい構造-パイプ接続マルチフィジックスカップリングが追加されました. 目的は, パイプ力学インターフェースのライン表現を, パイプジオメトリに遷移があるより正確な3D表現に切り替えることです.

A closeup view of the COMSOL Multiphysics version 5.6 UI with the Model Builder, Structure-Pipe Connection settings, a bent pipe model geometry in the Graphics window, and a plot of the model showing von Mises stress in a rainbow color table.
パイプ力学を使用してモデル化されたパイプから, シェルインターフェース (上) および固体力学インターフェース (下) への移行.

パイプの単方向拘束

パイプ力学インターフェースでは, 規定の変位/回転機能が改善され, 変位を設定するための3番目のオプションが追加されました. 新しい制限付きオプションでは, 自由変位が可能ですが, 上限と下限を定義する必要があります. これは, 一方向サポート上にあるパイプのモデリングに特に役立ちます.

このオプションは点およびエッジでの拘束として利用できます.

Three gray bars with four rainbow bars going perpendicular across and with black arrows pointing down.
荷重を受けた梁の中央における一方向の支持. 梁の下のいくらかの距離で支持されています. 4つの全ての梁は同一で, 荷重だけが異なります. グレーのバーは支持を表していますが, モデルの一部ではありません.

流体-パイプ相互作用, 固定ジオメトリマルチフィジックスインターフェース

新しい流体-パイプ相互作用, 固定ジオメトリインターフェースを使用して, 流体-構造相互作用 (FSI) をモデル化するときに, 構造解析に対する流体負荷の影響を考慮することができます. 新しい流体-パイプ相互作用マルチフィジックスカップリングは, パイプ流れとパイプ力学インターフェースを接続します. より正確なFSIシミュレーションでは, 内圧, 抗力, 曲げの荷重, および接合部の荷重がすべて考慮されます. このインターフェースは Coupled Analysis of Flow and Stress in a Pipe モデルで使われています.

The COMSOL Multiphysics version 5.6 UI with the settings shown for the Fluid-Pipe Interaction coupling and a pipe flow model in the Graphics window.
流体-パイプ相互作用マルチフィジックスカップリングを使用したパイプの応力と変形

スプリングとダンパーの接続ポイント

すべての構造力学インターフェースで, スプリングダンパーと呼ばれる新機能が追加され, 2点をスプリングやダンパーで接続します. ポイントは幾何学的なポイントにすることができますが, たとえば, アタッチメントを使用したり, 剛体に直接接続したりすることで, 抽象的にすることもできます. ばねは, 2つの点の間の線に沿って力が作用する物理的なものか, 2つの点のすべての並進および回転の自由度を接続する完全なマトリックスによって記述されるもののいずれかです. この機能により, 2つの異なるフィジックスインターフェースのポイント間にスプリングを接続することもできます.

弾性波伝搬のポート境界条件

固体力学インターフェースで利用可能な新しいポート境界条件は, 固体導波管構造に出入りする弾性波を励起および吸収するように設計されています. 特定のポート条件は, 1つの特定の伝搬モードをサポートします. 同じ境界で複数の港湾条件を組み合わせると, たとえば, 縦モード, ねじれモード, 横モードなど, 伝播する波の混合物を一貫して処理できます. いくつかのポート条件を組み合わせた設定は, たとえば, 完全整合層 (PML) 構成または低反射境界機能に対する導波路の優れた非反射条件を提供します. ポート条件はSパラメーター (散乱パラメーター) 計算をサポートしますが, システムを励起 するためのソースとしても使用できます. 反射波と透過波のパワーは後処理で利用できます. 伝搬モードを計算および識別するために, 境界モード解析スタディをポート条件と組み合わせて使用できます. この機能は Mechanical Multiport System: Elastic Wave Propagation in a Small Aluminum Plate チュートリアルモデルで確認できます.

A closeup view of the COMSOL Multiphysics version 5.6 UI with the Model Builder, Port settings, and a rainbow surface plot showing the displacement magnitude of a four-port structure to the right.
4つのポートを持つ構造の例

固体力学で過渡弾性波問題を解くための新しい設定

固体力学インターフェースでは, 時間領域の弾性波の問題を求解する際に正しく効率的なソルバーの設定を確実にする新しい設定が導入されました. 設定は過渡音響インターフェースの既存の設定と似ています. 固体力学インターフェースノードで最大分解周波数を指定するオプションを指定する新しい過渡ソルバー設定セクションが導入されました. これはソースの励起の最大周波数または励起できる最大固有値モード周波数です. 自動的に生成される推奨ソルバーには波の伝播に適切なソルバーを使用し, 時間と空間の両方で適切な解像度を確保する設定があります.

剛体コネクターの改善

剛体コネクター機能で複数の改善があります. シェルと梁のインターフェースでは, 選択の選択肢がトップレベル, つまりそれぞれ境界とエッジに拡張されました. 回転の中心がポイントの選択によって定義されている場合, そのポイントはフィジックスインターフェース自体の一部である必要はありません. さまざまなフィジックスインターフェースの剛体コネクターを結合して, 新しいタイプの仮想剛体オブジェクトを定義できます (この選択は剛体コネクターの設定の詳細セクションにあります). 固体力学, シェルおよび梁インターフェースでは, NASTRAN® 形式でインポートされたファイルの RBE2 要素から剛体コネクターを自動的に生成できます. これは, これらのインターフェースの設定にある自動モデリングという名前のセクションから制御されます. インポートされたファイルの接続を模倣するために, 剛体コネクターは複数のフィジックスインターフェースに属することができます.

The Graphics window in COMSOL Multiphysics version 5.6 showing a gray solid and an orange bolt.
梁インターフェースを使用してモデル化されたボルトの終点は, 固体力学インターフェースを使用してモデル化された, ソリッドのフェース上のいくつかの境界にしっかりと接続されています.

既知の滑り速度での摩擦

一部のアプリケーションでは, 2つのオブジェクトが特定の相対速度で互いにスライドするため, 摩擦力の方向がわかっています. この場合, 摩擦力を解く必要はありません. これにより, ソリューションを大幅にスピードアップできます. これらの場合には, 接触ノードの下にサブノードとして追加された新しいすべり速度機能を使用できます. このノードの入力は, 摩擦ノードの入力と同様です. この新機能は Disc Brake Pad Wear モデルで確認できます.

A closeup view of the COMSOL Multiphysics version 5.6 UI with the Model Builder, Slip Velocity settings, and a plot showing the friction force norm in a disc brake model to the right.
この例では, 相対運動を解析的に表現できるため, ブレーキディスクとブレーキパッドの間の摩擦をスリップ速度ノードを使用してモデル化できます. 表面プロットは, 摩擦力の大きさを示しています.

トラス構造における局所座屈の評価

トラス構造の各部材の局部座屈に対する安全マージンを表すために, 一連の変数が追加されました. 断面データノードの設定ウィンドウの新しいローカル座屈セクションで, 評価用の入力データを指定します. これにより, 各部材が単一のトラス要素のみでモデル化されている場合でも, 局所的な座屈のリスクを予測することができます. 完全な座屈解析を実行する場合, 各部材は, 各ジョイントですべての回転自由度が切断された, いくつかの梁要素によってモデル化する必要があります.

Two truss tower models, one showing the global buckling with a black wireframe denoting the original position of the tower, and another showing the local buckling failure index in a Cividis color table.
グローバル座屈形状 (左) とグローバル座屈荷重が適用されたときのローカル座屈の破損指数 (右). 破損指数が1を超えるため, グローバル座屈荷重に達する前にローカル座屈が発生します.

回転座標系速度を規定するための新しいオプション

固体力学およびマルチボディダイナミクスインターフェースの回転座標系ノードに新しい剛体オプションが追加されました. このオプションを使用すると, 回転軸の周りに時間依存のトルクを入力し, 回転速度は剛体の運動方程式の積分によって計算されます.

トラスインターフェース材料の有効化

材料の有効化と無効化の機能がトラスインターフェースに追加されました. 線形弾性材料の下の有効化サブノードを使用して, さまざまな段階でバーが追加される建設プロセスをシミュレートできます.

接触の改善

新しいダイナミック接触および摩耗機能に加えて, 接触力学の分野では他にもいくつかの改善があります. 完全連成されたソルバーを拡張ラグランジュ接触アルゴリズムと一緒に使用すると, ソルバーシーケンスの設定が簡単になり, 一部の問題の安定性と収束が向上します. また, 接触の下の摩擦サブノードで, 摩擦モデルとして定義されたユーザーを選択して, 他の変数に関してスライドを引き起こす接線力の式を直接入力できます. 最後に, ペナルティ法と拡張ラグランジュ法の両方に対して, ペナルティ係数を提供するいくつかの新しい方法があります.

変位からの回転の計算

自由度として変位があるフィジックスインターフェースでは, 領域の回転を調べる必要がある場合があります. これを行うには, 新しい平均回転ノードを追加します. このノードは, 一 連のポイントの変位を使用して, 回転を表す変数を生成します. 3つを超える点が指定されている場合は, 最小二乗スキームを適用して, 点のセット全体の剛体回転を最適に近似します. さらに, 角速度と加速度を計算できます. この新機能は新しい Impact Analysis of a Golf Ball と, 更新された Sensitivity Analysis of a Truss Tower チュートリアルモデルで使われています.

The COMSOL Multiphysics version 5.6 UI showing the Model Builder, Average Rotation settings, and an outline of a golf club and ball in the Graphics window.
衝突後の平均直線速度と角速度を計算するための, ゴルフボール上の6点の選択.

梁の断面剛性の直接入力

新しい材料モデル, 断面剛性, が梁インターフェースに導入されました. 軸剛性, 曲げ剛性などのデータを直接入力できるようになりました. この材料モデルの目的は, 複合梁の場合のように, 単一の弾性材料や断面の幾何学的特性から剛性特性が推定できない場合のような複雑な断面のモデル化を可能にすることです.

積層線形弾性材料の混合定式化

シェルインターフェースにおける積層線形弾性材料ノードで混合定式化がサポートがされます. 混合定式化は, 圧力定式化とひずみ定式化の両方をサポートします. 圧縮性の低い材料の精度を向上させるために使用できます.

単層シェルの混合定式化は構造力学モジュールと一緒に利用できます. 複合材料モジュールが利用可能な場合, 多層シェルでも使用できます.

積層線形弾性材料での粘性ダンピング

粘性ダンピングがシェルインターフェースの積層線形弾性材料ノードの下のダンピングサブノードに追加されました.

単層シェルの粘性ダンピングは構造力学モジュールで利用可能です. 複合材料モジュールが利用できる場合多層シェルでも粘性ダンピングが使用可能で, 個々の層で異なるダンピング値を与えることができます.

シェルインターフェースの積層超弾性材料

固体力学インターフェースにおける全ての超弾性材料モデルがシェルインターフェースの積層超弾性材料ノードで利用できるようになりました. 複合材料モジュールが利用できる場合, この材料モデルは多層シェルにも使うことができ, 個々の層で異なる材料モデルを与えることができます.

粘弾性の改善

Maxwell と一般化 Kelvin-Voigt の2つの新しい粘弾性モデルが追加されました. Maxwell 材料は, 一定の応力下での長期的な変形に制限がないため, 液体の一種と見なすことができます. 一般化 Kelvin-Voigt モデルには, いくつかの時定数を持つ Prony 級数表現があります. 概念的には, 直列に接続されたケルビン要素 (ばね要素とダッシュポット要素が並列) のセットで構成されます.

周波数領域解析では, すべての粘弾性モデル (一般化 Maxwell, 一般化 Kelvin-Voigt, Maxwell, Kelvin-Voigt, 標準の線形固体, および Burgers) が分数階微分表現によって拡張されています. 分数時間微分表現を使用すると, 一部の材料の実験に材料データを簡単に適合させることができます. 一般化 Maxwell モデルと標準の線形固体粘弾性モデルを使用した時間領域解析では, パフォーマンスが最大1桁向上しました.

Tool–Narayanaswamy–Moynihan シフト関数は, ガラスおよびポリマーのガラス転移温度を表すために一般的に使用されます. これは, 粘弾性ノードのシフト関数のセットに追加されました.

新しいチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン5.6では構造力学モジュールにいくつかの新しいチュートリアルモデルが加わりました.

ディスクブレーキパッドの摩耗

A metallic disc brake model with the brake pad shown in red, white, and blue and dark gray arrows indicating the direction of the turn.
ブレーキパッドの摩耗の計算結果

アプリケーションライブラリタイトル:
disc_brake_wear

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2つのソフトリング間の衝撃

One yellow soft ring and one red soft ring in partial contact with each other.
1つのソフトリングが別のリングの上に落ちます. リングが接触している瞬間の変形状態を示します.

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ring_impact

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プレートに埋め込まれた斜め亀裂

A gray rectangle with a black line and red arrows indicating an angled crack and a mostly blue model with a white angled slit showing the crack.
プレートの内部亀裂を亀裂のさまざまな角度について解析します. モードIとモードIIの応力拡大係数が計算されます.

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angle_crack_plate

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表面にひびの入ったシリンダー

A closeup inside view of a metallic cylinder with a crack formation shown in red, white, and blue.
内圧を受けた円筒管の半楕円形亀裂を解析します. 亀裂前線に沿った応力拡大係数が計算されています.

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surface_cracked_cylinder

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機械的マルチポートシステム:小さなアルミニウム板内の弾性波伝搬

A model of a structure with four ports shown in rainbow color table.
4つのポートを持つ構造の例.

アプリケーションライブラリタイトル:
mechanical_multiport_system

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圧電セラミックのヒステリシス

A 1D plot of polarization and electrostrictive strain.
強誘電特性を持つ圧電材料に印加された電界の関数としての分極 (青) と電歪ひずみ (緑)

アプリケーションライブラリタイトル:
piezoelectric_hysteresis

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ブラケット (一般的な周期ダイナミック解析)

A 1D plot of applied force and displacement response.
周期的非調和荷重下にある構造の印加力 (青) と変位応答 (緑).

アプリケーションライブラリタイトル:
bracket_general_periodic

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