機械與結(jié)構(gòu)力學(xué)中的多物理場仿真

康小數(shù)

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結(jié)構(gòu)力學(xué)是首個將有限元作為標(biāo)準(zhǔn)工具的工程領(lǐng)域，這種精確和有效的計算方法也確實給機械和工程設(shè)計帶來了很大幫助。實際的力學(xué)問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)力和熱膨脹問題，流體與固體的相互作用問題，以及壓電材料中的電磁、電場、聲場等的相互作用問題，等等。這就需要我們在分析力學(xué)時考慮多物理場的概念。

多物理場仿真已經(jīng)被越來越多的研究人員所采用，逐漸成為制造業(yè)中高效設(shè)計、減少開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的一個重要環(huán)節(jié)。COMSOL 即為廣大科研及設(shè)計人員提供了這樣一款多物理場仿真工具，能夠輕松地將任意數(shù)量的物理場，如電磁、力學(xué)、傳熱、流體流動和化學(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 多物理場仿真軟件進行產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計。

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1.熱應(yīng)力和熱膨脹

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現(xiàn)代飛機的整個機身大量使用了碳纖維復(fù)合材料（如波音 787 夢想客機），因為這種材料重量輕且具有極其出色的強度。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 多物理場仿真軟件和物理測量，以確保受到地空飛行周期產(chǎn)生的熱應(yīng)力后 EMF 防護涂層可以保持完好無損。

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左側(cè)是來自 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 對應(yīng)于菱形的短對角線和長對角線。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

1 s  j$ {5 e. |. Y' c% o近年來，出現(xiàn)了在船上利用球鼻船首來容納不同類型聲納系統(tǒng)的設(shè)計，但對于結(jié)構(gòu)振動對此類聲納導(dǎo)流罩內(nèi)換能器系列運轉(zhuǎn)的干擾程度還存在疑問。意大利造船學(xué)研究與實驗國家研究所（INSEAN）使用 COMSOL 多物理場仿真模型來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載，他們就能模擬湍流邊界層與球鼻船首進行相互作用時會產(chǎn)生得自噪聲，以減少振動對換能器的影響。
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球鼻船首

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左圖：對球鼻船的 1 : 8 比例模型進行實驗活動。球鼻船的某個部分被替換為透明材料， 透明材料上放置了一個加速計。仿真固顯示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（右）。

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) K. s" a6 j; H9 J( y# P6 B3.電場與機械耦合

ABB 在田納西州阿拉莫的變壓器組件專家面臨的最大問題是要創(chuàng)造設(shè)計出一種供分接開關(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)力問題，ABB 構(gòu)造了一個幾何模型，并將其無縫同步到 COMSOL 軟件中。這樣，他們便能調(diào)整大型 CAD 裝配件中的幾何，然后生成進行大規(guī)模仿真所需的高質(zhì)量網(wǎng)格。通過使用 COMSOL 仿真，ABB 能夠開發(fā)出基于實際場條件下執(zhí)行 100 萬次操作的分接開關(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載分接開關(guān)。

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使用 COMSOL Multiphysics ,在兩個相鄰相上施加電壓時，旁路開關(guān)（處于開路位置）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。

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4.換能器設(shè)計
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% u' @7 E1 }" I4 u2 h! X# `* V5 y2 ~' Z工業(yè)級聲音及振動分析會面臨多種挑戰(zhàn)，從交通和機場噪聲，到汽車發(fā)動機振動，再到風(fēng)力渦輪機噪聲，聲壓級涵蓋從低于聽力闕值的聲壓級一直到正常大氣壓條件下的最高聲壓。Brüel & Kjær A/S 一直是聲音與振動測量及分析行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)在他們必須能夠設(shè)計出可滿足一系列不同測量標(biāo)準(zhǔn)的麥克風(fēng)和加速度計以及產(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作為一種驗證其設(shè)備精度和準(zhǔn)確度，以及測試新型創(chuàng)新設(shè)計的方法。

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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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了解更多機械力學(xué)領(lǐng)域的仿真實例，可參看：

6 d# j5 I: j$ o  ?! ]用戶故事集錦
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! r6 |% d& z2 C/ j" c: q5 `COMSOL力學(xué)博客
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本文所引用的例子均來源于 COMSOL，版權(quán)歸 COMSOL 公司所有。如需轉(zhuǎn)載本文，請聯(lián)系本文作者。

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liupt888

學(xué)習(xí)一下�。�！

沒文化

有限元，學(xué)習(xí)一下

清風(fēng)自來_

支持一下。。。

番茄西瓜

學(xué)習(xí)啦

好學(xué)很好學(xué)

很高端的東西哈

陌上古道

有相關(guān)的電子文檔么，分享一下��！

康小數(shù)

陌上古道 發(fā)表于 2015-10-20 22:06
. B! l* ?6 s, O) B* X有相關(guān)的電子文檔么，分享一下��！

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

小白前來報到

愛貓人士薛定諤

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