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構造力学アップデート
構造力学モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン 6.1 では, 接触モデリングの機能強化, 境界に線形および非線形材料を追加する機能, および特定の材料特性に対する材料モデルの挙動を数値的にテストおよび検証する新機能が提供されます. 以下の構造力学モジュールのすべての更新について学びます.
接触モデリングの強化
接触モデリング機能には, 次のようないくつかの追加と改善が行われました:
- 新しい, より高速な接触先検索アルゴリズムが実装されました. これは, 大規模な 3D モデルの場合に特に有利です.
- 接触方程式を定式化するための新しい方法であるNitscheの方法が追加されました. これは, 余分な自由度を追加しない堅牢な方法です.
- すべての接触モデルに, 接触方程式の新しい, より安定した定式化が追加されました.
- 曲面形状の実際の表面が使用される, シェルとメンブレインの定式化が改善されました.
- 自己接触が改善されました. この定式化は, 接触ペアの両側で対称になりました.
円錐形の穴に押し込まれた弾塑性パイプのアニメーション. 自己接触はいくつかの場所で発生します.
固体力学 (1D) インターフェース
固体力学インターフェースが1D および 1D 軸対称コンポーネントで利用できるようになりました. 基本的な機能のために追加の製品は必要ありません. 横方向では, 平面応力, 平面ひずみ, および一般化された平面ひずみのさまざまな組み合わせを選択できます. 物理現象に対する重要な洞察を提供するために 1D モデルが役立つ, バッテリモデリング, 音響学, 熱構造相互作用など, いくつかのマルチフィジックスアプリケーションがあります. 電池のインターカレーションひずみの機能は, バッテリデザインモジュールに含まれていることに注意してください. より高度なモデリングについては, 構造力学モジュール, MEMS モジュール, マルチボディダイナミクス モジュール, または音響モジュールで追加機能を利用できます.
1D 軸対称での接触に伴う熱と構造の連成問題. ここでの基本的な表現は線に沿った単純な 1D 要素であることに注意してください. 結果は, 可視化を向上させるために円形ジオメトリに拡張されます.
材料モデルの数値テスト
複雑な材料モデル, 特にユーザー定義のモデルの場合, さまざまな荷重条件下でモデルがどのように動作するかを解析することが重要です. 固体力学インターフェースの新しい試験材料機能は, 適切な境界条件を備えた小さな 1 要素モデルを自動的に設定し, いくつかの異なる荷重条件のステップを検討できます. 負荷は, 準静的または時間依存, 単調または周期的です. この新機能は更新されたモデル Isotropic Compression with Modified Cam-Clay Material Model および Primary Creep Under Nonconstant Load で確認できます.
固体境界上の材料
幅広い線形および非線形材料モデルが, 内部境界または外部境界で使用できるようになりました. これは, たとえば, 接着層, ガスケット, またはクラディングをモデル化するために使用できます. このような層は, 完全な 3D から面内ひずみのみに至るまで, さまざまな仮定を使用できます. 複合材料モジュールを使用すると, 境界材料を多層化することもできます. 既存のモデル Heating Circuit は, この新しい追加を紹介しています.
ワイヤーのフィジックスインターフェース
ケーブルまたはワイヤーのシステムを個別に, または他のタイプの構造と組み合わせて解析するために, 新しい ワイヤーインターフェースが追加されました. ワイヤーは, 自重で事前応力がかかっていたり, たるんだりしている可能性があります. この新しい機能は, 新しいチュートリアルモデル Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads および次の既存のモデルで確認できます:
支持点が内側に移動したときの重力荷重下のワイヤのグリッド内の力. グリッドの一部が剛体面上に置かれます.
薄膜ダンピングのマルチフィジックスインターフェース
薄膜ダンピング用の 2 つの新しいマルチフィジックスインターフェースが追加されました: 固体薄膜ダンピングとシェル薄膜ダンピングです. これらは, 薄膜流れインターフェースをそれぞれ固体力学またはシェルと組み合わせています. これを容易にする 2 つの新しいマルチフィジックスカップリングもあります: 構造薄膜相互作用と シェル薄膜流れ相互作用です. これらのカップリングは, 薄膜ダンピングに限定されません. たとえば, 潤滑やキャビテーションのモデル化にも使用できます.
死荷重による座屈解析
臨界座屈荷重を検索する場合, 複数の系の荷重が存在し, そのうちの 1 つが固定と見なされる場合があります. たとえば, 重力荷重は固定されていると見なすことができ (死荷重), サービス荷重は固定されていないと見なすことができます (活荷重). サービス負荷の臨界レベルのみを計算したい場合でも, 死荷重は依然として座屈のリスクに影響します. このタイプの解析は現在組み込まれており, Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads のモデルで表示できます.
シェルおよびメンブレインの摩耗
固体力学インターフェースですでに利用可能な機能と同様に, 摩耗サブノードがシェルおよびメンブレインインターフェースに追加されました. この機能により, 摩擦滑りによってシェルとメンブレンの厚さが減少する摩耗を計算できます. 同じ技術により, ユーザー定義の厚さ変化率の式を追加することができます. これは, 腐食や電着などのモデル化に使用できます.
円筒状の固体物体の摩擦滑りによるシェル表面の摩耗. 可視化はシェルデータセットを使用して行われ, 両方のパーツが 3D ソリッドであるという印象を与えます.
連結アセンブリの新しい方法
Nitsche法が追加され, アセンブリ内の境界間の連続性が強化されました. 従来のポイント拘束と比較すると, 2 つの重要な利点があります:
- 両側のメッシュが一致していない場合に, 解の局所的な乱れが大幅に減少します.
- 拘束が追加されないため, 数値的に敏感で, 計算量の多い拘束除去をする必要がなくなります.
コンポーネントモード合成の強化
コンポーネントモード合成 (CMS) 解析でシェル要素を使用できるようになりました. また, CMS 分析用のモデルの設定を容易にする一般的な改善点もいくつかあります.
ベース励振
構造上の動的荷重は, すべての支持点の特定の加速度で構成されているのが一般的です. この例としては, 部品が試験のために加振台に取り付けられている場合や, 建物が長い波長の地面加速度を受ける場合があります. このタイプの負荷は, 新しい ベース励振機能を使用して, より自然に記述できるようになりました. ランダム振動解析に適しています. この更新は, 既存のモデル Shock Response of a Motherboard および Random Vibration Test of a Motherboard で確認できます.
結果としての荷重
境界荷重および一連の点荷重の場合, 荷重タイプリストから合力オプションを選択して, 特定の点に対する合計の力とモーメントを指定できるようになりました. これにより, 人工的な拘束を課したり, 実際の荷重分布を長時間計算したりすることなく, 荷重合力を簡単に適用できます. 荷重分布の想定形状を制御することができます.
合力モーメントとして与えられる曲げ荷重は, 3D ソリッドとしてモデル化された梁の端に適用されます. 実際の負荷分散は矢印で示されています.
溶接評価
溶接構造の場合, 溶接部の応力を予測できることは設計上重要です. シェルインターフェースで, 接合エッジに沿った応力を評価できるようになりました. この方法は, 溶接がジオメトリでモデル化されていないという意味で半解析的ですが, その特性によって表されます. 突合せ溶接だけでなく, 片面および両面の隅肉溶接も評価できます.
異方性材料の新しい入力
線形弾性材料機能では, 弾性定数を入力するためのいくつかの新しいオプションが追加されました:
- 直交異方性材料は, 立方晶, 六方晶, 6 つの定数を持つ三方晶, 7 つの定数を持つ三方晶, 6 つの定数を持つ正方晶, 7 つの定数を持つ正方晶, および斜方晶系の 7 つの異なるタイプの結晶系の結晶データによって記述できるようになりました.
- 横等方性材料の入力がサポートされているため, このクラスの材料の入力数が削減されます.
- 一般的な異方性材料は, 弾性行例に加えて, コンプライアンス 行列で表すことができるようになりました.
剛体連結の改善
剛体連結は, 荷重の適用やオブジェクトの接続など, 抽象的なモデリングに重要なツールです. その機能は, 次の 3 つの点で強化されています:
- ローカル座標系で指定された方向など, 選択した自由度を切断できるようになりました. このオプションを使用すると, 過剰な拘束を解放し, 局所的な応力集中を減らすことができます.
- 3D の 2 点固定連結の場合, 潜在的な回転特異点を自動的に抑制することができます.
- 新しいデフォルトとして, 剛体連結によって生成される自由度がスタディシーケンスでグループ化されるようになりました. これにより, モデルツリー内のノードの数を大幅に減らすことができ, 収束許容値に手動スケーリングを適用しやすくなります. 同じ変更がアタッチメント機能にも適用されます.
パイプ解析の強化
パイプ解析では次の更新が導入されました:
- パイプ力学インターフェースでは, パイプ曲げの柔軟性と応力の補正係数を指定できるようになりました.
- 応力評価のために削減された肉厚を入力できます. これは, 腐食許容量を計算するために使用できます.
- パーツライブラリには, 直管, 曲げ, レデューサー, および T ジャンクションなど, パイプのパラメーター化された多数の形状が追加されました. これらのジオメトリは, ソリッドまたはシェル要素を使用した詳細な解析に使用できます. このような 3D モデルは, 既存のカップリングを使用してパイプ力学インターフェースに直接接続できます.
ローカル座標系における結果
構造力学インターフェースで共通の量を評価するためにローカル座標系結果ノードを追加することで, 任意の数のローカル座標系を簡単に定義できるようになりました. 利用可能な変換された量の中には, 応力, 歪み, 変位, および材料特性があります.
トラスインターフェースにおける変位制限
トラスインターフェースでは, 新しい ワイヤーインターフェースと同様に, 変位をポイントまたはライン全体の特定の値に制限することができます. 制限変位境界条件を使用して, 壁または支持点に近づいたときのモデル化を行うことができます.
増加する荷重下でのトラスの軸力. 黒い円で示されているように, 垂直方向の変位は 2 点に制限されています. 変形は 100 倍に拡大されます.
トラス要素の標準断面
トラスインターフェースでは, 断面データノードが拡張され, ジオメトリプロパティによって要素の断面を定義するオプションが追加されました. 使用可能な断面は, 矩形, ボックス, 円形, パイプ, H プロファイル, U プロファイル, T プロファイル, C プロファイル, ハットです. この機能は, 新しいチュートリアル モデル Truss Tower Buckling と次の既存のモデルで確認できます:
弾性波の亀裂境界条件
弾性波 (陽的時間発展) フィジックスインターフェースで利用できる新しい 亀裂境界条件は, 結合が不完全な 2 つの弾性ドメインを処理するために使用されます. 亀裂は, 薄い弾性層, 流体で満たされた層, または弾性材料の不連続 (内部境界) で起こることがあります. 薄い弾性ドメインの特性を指定するためのオプションがいくつかあります. 典型的なアプリケーションは, 非破壊検査 (NDT) アプリケーションのモデル化 (層間剥離領域やその他の欠陥の応答の検査など) や, 石油およびガス産業の破砕された固体媒体における波動伝播のモデル化です.
事前定義プロット
事前定義されたプロットの一般的な機能により, 構造力学インターフェースが大幅に更新されました. 定義済みプロットはデフォルトプロットに似ていますが, ユーザーが選択するまでモデルビルダーに挿入されないという重要な違いがあります. これは, スタディごとに生成されるデフォルトプロットの数が大幅に減少するため, 有利です.
さらに, 次の 2 つの改善点がユーザーに表示されます:
- 以前のバージョンのデフォルトのプロットに加えて, いくつかの新しい有用なプロットが [定義済みプロットの追加] メニューから利用できるようになりました.
- 事前応力下動的解析の荷重ステップなど, 中間スタディステップの結果プロットを直接利用できます.
梁のせん断力およびモーメントダイアグラム
梁構造の曲げモーメントとせん断力の分布を表す一般的な方法は, ジオメトリの上に描画されるせん断力と曲げモーメントのダイアグラムによるものです. 梁インターフェースでは, モーメントとせん断力のダイアグラムを描く機能が追加されました. 分布荷重の場合でも, グラフはメッシュに依存しません. つまり, 要素全体の荷重変動の影響が含まれます. 断面力ダイアグラムは, 負荷が部分的に慣性力で構成される動的解析にも使用できます.
一様化マイクロストラクチャーの新しいパーツ
パーツライブラリでは, 代表的体積要素という名前の新しいフォルダーが COMSOL Multiphysics ブランチに追加されました. これには, 繊維, 細孔, 粒子複合体などの一般的な微細構造のパラメーター化されたジオメトリが多数含まれています. これらのジオメトリは, 代表体積要素 (RVE) 法を使用して有効な材料特性を計算するために使用できます. 新しいモデル Homogenized Material Properties of Periodic Microstructures および Micromechanical Model of a Particulate Composite は, この新しい追加を強調しています.
新しいチュートリアルモデル
COMSOL Multiphysics® バージョン6.1 ではいくつかの新しいチュートリアルモデルが構造力学モジュールに追加されました.
非線形調和応答
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ブラケット— 次数低減モデリング
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荷重バネの自己接触
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等方性コセラート弾性円柱のねじれ
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粒状コンポジットのマイクロ機械モデル
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死荷重のあるトラスタワーの線形座屈解析
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