構造力学モジュール

幅広いマルチフィジックス機能による力学解析を実行

構造力学モジュールは, COMSOL Multiphysics® プラットフォームのアドオンであり, 固体構造の力学的挙動を解析するために開発されたFEA ソフトウェアパッケージです. このモジュールには, 固体力学, ダイナミクスと振動, 材料モデリング, シェル, 梁, 接触, 破壊などをモデル化するためのツールと機能が備えられています. 応用分野としては, 機械工学, 土木工学, 地力学, 生体力学, MEMS デバイスなどがあります.

構造力学モジュールには, 熱応力, 流体-構造相互作用, および圧電性などのマルチフィジックスカップリングが組み込まれています. また, COMSOL 製品の他のモジュールと組み合わせることで, 高度な伝熱, 流体流れ, 音響, 電磁気の効果を考慮することができます. さらに, モデル化の範囲を広げて, 特殊な材料モデリングやCAD インポート機能を加えることも可能です.

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レインボーカラーテーブルのボルトの応力を示すチューブ接続モデル.

多様な構造解析を実行

バーチャル環境での構造性能を予測するために, いくつかの分析タイプが用意されています. 構造力学モジュールを使用すれば, 応力, ひずみレベル; 変形, 剛性, 適合性, 固有振動数; 動的荷重への反応, 座屈不安定などの問に答えることができます.

構造力学モジュール解析

  • 静的解析
  • 固有振動数解析
    • 非減衰
    • 減衰
    • プレストレス
  • 非定常解析
    • 直接重ね合わせ, モード重ね合わせ
  • 周波数応答
    • 直接重ね合わせ, モード重ね合わせ
    • プレストレス
  • 幾何学的非線形性と大きな変形
  • 機械接触
  • 座屈
  • 応答スペクトル
  • ランダム振動

一般化された解析

y軸に変位, x軸に力の方向を使用したパラメトリック解析の1Dプロット.
パラメトリック解析

複数の入力パラメーターを用いてモデルを計算し, 結果を比較することができます.

元のジオメトリと最終的に最適化されたジオメトリを示す2つのブラケットモデルのクローズアップ図.
最適化

最適化モジュールを使用すれば, 幾何学的寸法, 形状, トポロジ, その他の数量を最適化できます.

有限要素

構造力学モジュールは, さまざまなタイプの構造解析のためのモデリングツール一式を備えています. 有限要素法に基づいて, 3D 固体のモデリングだけでなく, 2D 定式化 (平面応力, 平面ひずみ, 一般化された平面ひずみ, および軸対称) の機能もあります. 同様に, シェルとプレート, 膜, 梁, パイプ, トラス, ケーブルなどの機能があり, これらすべての異なる定式化の間での移行も可能です.

3D 固体モデリングでは, 要素の形状や順序に多くのオプションがあり, 三角形, 四角形, 四面体, 六面体, プリズム, ピラミッドの要素, すべてが利用可能です. 1次, 2次, 場合によってはさらに高次の要素から選択が可能で, マルチフィジックス解析では, 混合次元要素も選択できます.

構造力学モジュールの特徴と機能

構造力学モジュールは, さまざまな構造解析を実行するための特殊な機能を備えており, COMSOL Multiphysics® プラットフォームでシームレスに連携し, 一貫したモデル構築ワークフローを実現します.

ソリッドメカニクスノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにチューブ接続モデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

固体力学

固体力学のモデリングには, 完全な3D, 2D (平面応力, 平面ひずみ, 一般化された平面ひずみ), および2D軸対称などのオプションがあり, 多数の物理領域へのマルチフィジックスカップリングが組み込まれた固体構造を解析するための最も一般的なアプローチを提供します. 固体力学の問題を正確に記述するための多様な材料モデルが用意されており, 方程式ベースのモデリングによってこれらの機能を簡単に拡張することができます. 定数, 空間的変化, 異方性, 非線形の式, ルックアップテーブル, またはこれらの組み合わせで材料特性を定義できます. ユーザー定義の式に基づいて, 要素を有効化にしたり, 非有効化したりできます.

グラフィックウィンドウのソリッドシェル接続設定とブラケットモデルのクローズアップ図.

シェルとメンブレイン

薄型構造には, シェル (3D, 2D 軸対称) 要素やプレート (2D) 要素を使用すると, 非常に効率的です. 定式化により, 厚いシェルのモデル化に必要な横せん断変形が可能になります. また, 選択した表面の垂直方向にオフセットを指定することができ, ジオメトリの完全3D 表現を使用したモデリングを簡素化できます. シェル要素解析の結果は, 完全な固体表現として表示されます.

薄膜や薄い生地などの超薄型構造には, 曲げ剛性のない定式化が必要です. メンブレンインターフェースではそれが可能で, 3D または2D 軸対称の曲平面応力要素を使用して, しわの影響を含む面内および面外変位を計算します. このような構造を解析する場合, プレストレス状態から始められる機能が広く使用されます.

グラフィックウィンドウに弾性波, 時間明示ノードが強調表示され, 地球モデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

弾性波

等方性, 直交異方性, 異方性, 圧電性の固体における弾性波伝搬のモデリングは, シングルフィジックス, マルチフィジックスの応用である振動制御, 非破壊検査 (NDT), 機械的フィードバックのために使用されます. 応用分野は, マイクロメカニカルな問題から地震波の伝搬まで多岐にわたります.

固体力学インターフェースでは, 固体中のせん断波と圧力波の影響を考慮した完全な構造ダイナミクスの定式化を使用して, 弾性波を解析します. 機械的ポート条件を使用して, 導波管構造の伝搬モードを励起, 吸収したり, コンポーネントの散乱行列を計算したりすることができます. 吸収境界条件と完全整合層 (PML) により, 無境界領域の効率的なモデリングが可能になります.

弾性波 (陽的時間発展)インターフェースは, 多くの波長を含む大きな領域での過渡線形弾性波伝搬問題専用で, 高次の不連続ガラーキン有限要素法 (dG-FEM), 陽的時間発展に基づいています. また, このインターフェースはマルチフィジックスに対応しており, 流体ドメインとシームレスに連成します.

グラフィックウィンドウの粘弾性設定とダンパーモデルのクローズアップ図.

材料モデル

構造力学モジュールには, 線形弾性, 粘弾性, 圧電性材料モデルが備わっていますが, 非線形構造材料モジュールまたはジオメカニクスモジュールを追加することで, 超弾性および弾塑性を含む幅広い非線形材料モデルを利用することができます.

さらに, 既存の材料モデルを拡張したり, 独自のモデルを作成したりと, 多くの可能性を秘めています. 材料特性の入力フィールドには, 応力, ひずみ, 空間座標, 時間あるいは別のフィジックスインターフェースからのフィールドに依存する式を直接入力します. 周波数領域解析では, 複素数値式を入力できます. たとえば, カスタム微分方程式を追加して, 非弾性ひずみを寄与することができます.

材料モデルは, 熱膨張, 吸湿膨張, 初期応力とひずみ, および数種類のダンピング (減衰) にも対応しています. 材料特性は, 等方性, 直交異方性, 完全異方性のいずれかを選択できます. C 言語でコード化された外部関数を用いれば, 独自の材料モデルを組み込むことができます.

境界荷重ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに1Dプロットが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

荷重と拘束

構造力学モジュールでは, 多数の異なる荷重と拘束のオプションが用意されており, 高精度モデリングを容易にします. 領域, 境界, エッジ上の分布荷重, 従動荷重, および移動荷重を定義できます. また, 総力を指定し, 重力または付加質量を含め, 遠心力, コリオリの力, オイラーの力で回転フレームを含めることができます.

モデルを拘束するためには, スプリングとダンパー, および規定変位, 速度, 加速度があります. 周期境界条件, 低反射境界, 完全整合層 (PML), 無限要素により, モデルサイズを縮小して効率的なモデリングを実現しています.

変位ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに鉄骨モデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

ダイナミクスと振動

構造力学モジュールは, 非定常解析と周波数応答解析を行うことができ, 周波数応答解析には, 固有振動数, 減衰固有振動数, および周波数スイープ解析が含まれます. また, ランダム振動と応答スペクトルの解析に特化したスタディタイプを利用することもできます. ランダム振動解析では, 周波数の関数としてのパワースペクトル密度 (PSD) に基づく入力が可能で, 完全に相関した荷重だけでなく, 無相関の荷重も含まれます. 典型的な例としては, タワーにかかる風荷重が挙げられます. 応答スペクトル解析は, 地震や衝撃のような短時間の非決定論的事象に対する構造応答を求めるための効率的な方法として使用されます.

クロスセクションデータノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにトラスタワーモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

梁, パイプ, およびトラス

梁のモデリングに特化した要素タイプがあり, その断面特性によって記述されます. 細い梁 (オイラー・ベルヌーイ梁理論) と太い梁 (ティモシェンコ梁理論) の両方の定式化が利用可能です. 事前定義されたカップリングにより, 梁と他の要素タイプを組み合わせれば, 固体構造, シェル構造の強化を調べることができます. 一般的な断面をモデル化する機能に加え, 一般的な断面タイプのライブラリも用意されています.

さらに, 構造力学モジュールでは, 軸力のみを受ける細長い構造 (トラス) をモデル化できます. これらの要素は, たるんだケーブルや補強構造のモデリングにも使用できます.

パイプの構造解析は梁の構造解析と似ていますが, 通常はパイプの応力に大きく寄与する内圧が加わります. また, 温度勾配は通常, パイプ断面全体ではなく, パイプの壁を通して発生します. 内圧と抗力による荷重は, パイプ流れモジュールを使用したパイプ流れと熱の解析結果から直接得ることができます.

グラフィックウィンドウの連絡先設定とアーチモデルのクローズアップ図.

接触と摩擦

機械のシミュレーションでは, 物体が互いに接触する状況が頻繁に発生します. 静的および動的解析には接触のモデリングが含まれており, 接触している物体は任意の大きさの相対変位を持つことができます. また, 摩擦の影響もモデル化することが可能で, 粘着と滑りの両方に対応しています.

接触解析には, 接触する物体間の接着, 分離を規定したり, 物体が互いにスライドする際の摩耗による材料の損傷をモデル化したりする機能も備わっています.

グラフィックウィンドウの損傷設定とノッチ付き梁モデルのクローズアップ図.

破壊力学

亀裂のモデリングのための, いくつかの異なるアプローチが用意されています. 亀裂は無限に薄く, 単一の境界で表される場合と, ジオメトリ内の分離した表面で表される場合があります. 亀裂には, 任意の数の分岐とそれに相当する亀裂前線があります.

2D と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こともできます.

非線形構造材料モジュールまたはジオメカニクスモジュールを追加することで, さまざまな基準に基づいて脆性材料の損傷や亀裂をモデル化することができます.

グラフィックウィンドウのボルトねじ接触設定とベアリングキャップモデルのクローズアップ図.

エンジニアリング機能

構造力学モジュールには, 現実世界のモデルをより迅速に作成するための構造エンジニアリング機能がいくつか用意されています. これらの機能には, 剛体領域や運動拘束をモデル化するための剛体コネクターなどの境界条件, ボルトプリテンション, 圧力容器を解析するための応力線形化などが含まれます.

  • 剛体コネクター
  • 剛体領域
  • NASTRAN®形式でインポートにしたRBE2要素の自動処理
  • ボルトプリテンション
  • ボルトネジ山接触モデリング
  • 応力線形化
  • 安全係数式
  • 固体の切断部の断面力の計算
  • 荷重条件
  • 荷重条件の重ね合わせ
  • 効率的な材料特性の計算
    • 代表体積要素 (RVE) の使用

構造力学モジュールへのアドオンモジュール

COMSOL Multiphysics®ソフトウェア環境に完全に統合された特殊解析.

非線形構造材料モジュールジオメカニクスモジュールは, 100種類以上もの異なる非線形材料モデルで構造力学モジュールの機能を拡張します.

複合材料モジュールを追加すれば, 航空機部品, 風力タービンブレード, 自動車部品などに見られる繊維強化プラスチック, 積層板, サンドイッチパネルなどの薄い層状構造 (複合材料) を解析できます.

疲労モジュールを追加すれば, 応力ベースの高サイクル疲労と, ひずみまたはエネルギーベースの低サイクル疲労といった構造の疲労寿命を計算できます. レインフローサイクルカウンティング, 累積損傷, および多軸疲労と振動疲労のための機能もあります.

ローターダイナミクスモジュールを追加すれば, 非対称性が不安定性や有害な共振につながる可能性のある回転機械のモデル化が可能です. ディスク, ベアリング, ファンデーションでローター部品を構築し, キャンベル線図, 軌道, ウォーターフォールプロット, ホワールプロットを使用して結果を解析します.

外部CADソフトウェアからデザインをインポートする

COMSOL Multiphysics® と接続可能な多数のインターフェーシング製品から選択できます.

CADインポートモジュールでは, 業界標準のさまざまなCAD フォーマットをCOMSOL Multiphysics® にインポートして, シミュレーション解析を行うことができます. 利用可能な機能には, CAD ジオメトリを修復, クリーンアップしてメッシングや解析に備えるオプションや, 高度な固体オプションを提供するParasolid® ジオメトリカーネルへのアクセスが含まれます. デザインモジュールでは, これらの機能に加えて, ロフト, フィレット, 面取り, 中立面, 厚み付けなどの3D CAD オペレーションを行うことができます.

LiveLink™ 製品として知られるインターフェーシング製品のラインアップから選び, CAD ネイティブモデルを同期させれば, COMSOL® ソフトウェアで使用することができます. また, CAD システムとCOMSOL Multiphysics® 内のジオメトリパラメーターを同時に更新したり, 複数の異なるモデリングパラメーターに対して, パラメトリックスイープと最適化を実行したりすることもできます.

拡張された構造力学解析のためのマルチフィジックスカップリング

同じソフトウェア環境で, 2つ以上の物理的相互作用を簡単に組み合わせることができます.

タービンステータモデルの温度場の拡大図.

熱応力

与えられた, あるいは計算された温度場での固体およびシェルにおける, 熱応力と熱膨張.

FSIと熱応力を考慮したアルミニウム押し出しのモデリングのマルチフィジックスの例のクローズアップ図.

流体—構造相互作用 (FSI)

流圧, 粘性力の両方を含む, 流体構造と固体構造間の, 一方向または双方向の連成.

平歯車モデルの残留応力のクローズアップ図.

金属加工1

鋼の焼入れなどの熱処理プロセスにおいて, 相や組成に依存する材料の応力とひずみ.

モデルのディファレンシャルギア機構の拡大図.

マルチボディダイナミクス2

可撓体, 剛体の混合系をシミュレーションするための幅広いツールのセットが利用可能です.

変形と先端のたわみを示す圧電アクチュエータモデルのクローズアップ図.

圧電性

金属および誘電体部品を含む圧電デバイス.

音圧を示す圧電音響トランスデューサモデルのクローズアップ図.

音響と構造の相互作用3

固体-音響, 音響-シェル, 圧電-音響の相互作用, ならびに振動および弾性波の伝搬.

変位の大きさを示す多国間井戸モデルのクローズアップ図.

多孔質弾性4

多孔質媒体の流れを固体力学と組み合わせて, 多孔質弾性効果をモデル化したもの.

変位の大きさを示す圧力センサーモデルのクローズアップ図.

吸湿性膨張

ポリマーや電池の水分の吸収と吸湿性による膨張.

変形とメッシュボリュームを示すマイクロミラーモデルのクローズアップ図.

MEMS5

ピエゾ抵抗, 静電気力による電気機械のたわみ, および電歪.

応力, 変位, および磁場を示す磁歪トランスデューサモデルのクローズアップ図.

電磁材料6

磁歪, 電歪, および強誘電性の弾性デバイス.

応力と変形を示す加熱回路モデルのクローズアップ図.

低周波電磁気6

電磁力による電子機器や電気モーターの変形.

温度と熱応力を示すキャビティフィルターモデルのクローズアップ図.

RF, マイクロ波部品7

フィルターなどのRF, マイクロ波デバイスの部品の性能に影響を与える機械的変形と応力.

応力光学効果を示すフォトニック導波路のクローズアップ図.

応力-光学効果8

導波管における応力誘起複屈折.

3つの異なる角度の光線を示すペッツバールレンズモデルのクローズアップ図.

STOP解析9

光学系の構造熱光学性能 (STOP) 解析.

  1. 追加で, 金属プロセスモジュールが必要です
  2. 追加で, マルチボディダイナミクスモジュールが必要です
  3. 追加で, 音響モジュールが必要です
  4. 追加で, 多孔質体流動モジュールまたは地下水流モジュールが必要です
  5. 追加で, MEMS モジュールが必要です
  6. 追加で, AC/DC モジュールが必要です
  7. 追加で, RF モジュールが必要です
  8. 追加で, 波動光学モジュールが必要です
  9. 追加で, 光線光学モジュールが必要です

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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