COMSOL Multiphysics 在结构力学领域的应用案例集
1、动力学分析
悬臂梁受迫振动分析
该案例计算的悬臂梁由两层材料铝和钛组成，两种材料的损耗因子不同，梁的一段固定，另一端受到周期性载荷的作用，当悬臂梁在高频驱动力作用下振动时，由于非线性热弹性材料阻尼的存在而产生大量的热。图示中描述的是温度分布和位移变形情况。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Thermal-Structure_Interaction/vibrating_beam。
旋转叶片模态分析
汽轮机高速旋转时叶片会产生相当大的离心力，而离心力对系统特征频率产生影响。通过对叶片特定载荷下的模态分析，提前预测叶片的轴向运动趋势。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Dynamics_and_Vibration/ rotating_blade。
电机轮毂动力学分析
发动机在高速旋转当中，虽然轮轴功率保持不变，但是力矩会随转速增加而降低，这就意味着惯性负载会随着旋转速度的增加而增加，而同时对从动轮的驱动力会降低，这些复杂情况会影响到主动轮的应力状态，采用参数化分析方法可确定旋转速度是如何影响主动轮应力分布的。
案例来源：COMSOL_Multiphysics/ Structural_Mechanics/pulley。
粘弹性阻尼器强迫振动分析
该案例计算的阻尼器由两层粘弹性材料构成，夹在由钢构成的装配单元中，COMSOL Multiphysics用广义Maxwell 模型来对粘弹性材料建模，这些材料通常用于减震系统及减小风给楼宇和其他高大建筑带来的振动，通过对不同频率下的粘弹性材料进行定义，可以精确预测材料在不同激励频率下的受迫振动情况。
案例来源：模型库: Structural_Mechanics_Module/ Dynamics_and_Vibration/viscoelastic_damper_frequency。
2、热固耦合分析
质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板热固耦合分析
燃料电池堆由阳极、膜和阴极通过一系列双极板构成，当其工作温度稍低于100°C ，初始工作阶段需要对电池加热，在加热过程中导致双极板产生热应力，通过对该模型分析能揭示热应力的详细分布情况。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Automotive_Applications/bipolar_plate 。
旋转齿轮热固耦合分析
将齿轮固定在旋转轴上的方法之一就是热处理方法，
齿轮在热处理炉中膨胀，当齿轮膨胀到一定状态时，将其从
热处理炉中取出，安装到旋转轴上冷却；随着齿轮温度的降
低，齿轮收缩导致齿轮上产生环向应力并同时对转轴产生压
缩作用，达到热平衡条件后，两个部件之间实现紧密连接。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/
Automotive_Applications/spinning_gear_param 柴油发动机活塞热固分析 发动机活塞在周期性压力和燃烧高温的双重作用，容易导致活塞失效，即高周循环疲劳断裂。从分析结果可以看出，最大的变形产生在上止点位置。 案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Automotive_Applications/piston_3d 。
3、压电、压阻耦合分析
压电传感器
压电传感器能把电信号转换成声压辐射，反过来，也能把声场压力转换成电信号。这种换能器采用压电材料和声场应用模式，在声场-结构交界面处考虑到了结构变形对声场的加速度影响以及声场对结构的反向压力的作用。该模型广泛应用于阵列式麦克风，超声传感器、超声探伤、无损检测、声纳、成像等。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Acoustic-Structure_Interaction/piezoacoustic_transducer。
压阻效应模拟
压阻器件在设计时应考虑以下性能要求：高温下的耐用性、能够输出到数字处理电路中易于识别的信号、高负荷下的可靠性，广泛应用的硅压阻材料则刚好满足这种要求，压阻材料在受到外部压力时会改变其电导率，由此可产生被外电路探测的电信号，该模型结合了MEMS模块下的实体、应力应变应用模式和准静态电磁场应用模式，计算出压阻材料受到外力时的阻值变化和位移变形情况。
案例来源：Piezoresistive Elevator Button
声表面波（SAW）气体传感器模态分析
该案例研究了SAW气体传感器的共振频率，声表面波(SAW)是能够沿着材料表面传播的波，它的振幅随材料深度按指数规律迅速衰减。SAW器件在很多电子元件中都有广泛的应用，例如滤波器，振荡器和传感器等。SAW由一个相互交叉的换能器构成(IDT)，换能器刻蚀在压电LiNbO3 (铌酸锂) 基底上，并覆盖一层薄的聚异丁烯 (PIB)膜，当暴露在空气中时，PIB 膜选择性的吸收CH2Cl2 (二氯甲烷, DCM) ，PIB 膜的质量随之增加，从而导致特征频率向低频扩展。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Piezoelectric_Effects/SAW_gas_sensor。
6、电热固耦合分析
表面贴片电阻热-固耦合分析
电子元器件的小型化趋势使得表面贴片电阻被大量使用，电阻在交流电作用下发热，其焊点由于承受热应力的影响而产生裂纹，从而导致提前失效。因此，对于电子产品而言，寻找更为合适的焊接材料来替代铅和锡是非常有意义的。通过模拟表面贴片电阻使用过程中传热-结构变形的耦合过程，能提前预知材料的热力学性能。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/surface_resistor
机器人腿部电-热-固耦合分析
该微型机器人采用了基于聚酰亚胺V型沟槽技术的关节来获得腿部的运动。聚酰亚胺具有相对较高的热膨胀系数, 这将导致在聚酰亚胺被加热的情况下，机器人腿部将会发生微小的弯曲，在每个机器人腿部应用几个V型关节，利用热胀冷缩的原理，通过对机器人腿部通电或断电产生的热量，可以精确的控制机器人的前进与后退。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/microrobot_3d
该模型模拟了加热设备的电-热-结构变形之间的耦合
在加热电路板和液体之间插入一块膨胀系数较小的石英玻璃，这种非浸入式加热装置能够避免液体局部过热；同时对于加热电路，电阻层的脱离往往是成功与否的关键，这是因为大量的热产生了界面应力，一旦电阻层脱离，就会产生局部过热，进而又加速了脱离，甚至会导致电路过热并且起火燃烧，因此，电阻层的几何外形是设计功能电路的关键参数，利用COMSOL Multiphysics可以提前预测电路板形状。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/heating_circuit
7、流固耦合分析
三维流固耦合分析
流体流过一个有弹性障碍物的管道，对障碍物有粘性，同时施加了压力。随着障碍物出现大变形，流体域也会发生很大的改变。COMSOL Multiphysics 采用移动网格应用模式，轻松实现流-固双向直接耦合。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Fluid-Structure_Interaction/obstacle_in_fluid。
大动脉中血液与血管壁流固耦合瞬态分析
血管和肌肉组织采用基于Neo-Hookean模型的超弹性材料，血液流动满足不可压缩N-S方程，采用流固耦合模式可以精确分析血管大变形和生物组织的超弹性行为。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Bioengineering/blood_vessel。
铝挤出过程中的流—固—热耦合分析
在材料成型过程中，金属合金在高温固态中变形，需采用高粘性流体的理想塑性流动来描述，其粘度依赖于速度和温度。材料运动产生的内摩擦作为热源，所以传热方程与流体动力学的控制方程完全耦合，另外流动过程中由流体压力和热载荷产生的应力对口模和管壁产生挤压作用，需要对挤压部件进行应力—应变分析。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Fluid-Structure_Interaction/aluminum_extrusion_fsi。
8、声固耦合分析
流体声学-结构耦合分析
流体或者气体与结构（例如膜、板或者实体）的声固耦合在很多工程领域都有着广泛的应用。该模型给出一个浸入水中的铝制圆柱体，从周围环境中产生的平面波斜入射到球体表面作为激励，水中作用在圆柱体表面的谐声压作为边界载荷施加在3D实体上以保证压力的连续性，并且利用实体表面法向加速度作为声场边界来保证加速度的连续性。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Acoustic-Structure_Interaction/acoustic_structure。
空气罐声固耦合分析
该案例计算了空气罐和顶部圆盘的振动耦合特征模态分析，空气罐采用3D声压应用模式，顶部圆盘利用Mindlin理论DRM板单元定义为2D几何结构，该耦合系统模型采用了COMSOL Multiphysics 强大的扩展多物理场拉伸耦合变量方法，很容易的实现不同纬度之间的非局部耦合功能。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/Acoustic-Structure_Interaction/coupled_vibration。
9、接触与疲劳分析
超弹性软橡胶接触分析
该案例采用平面应变应用模式建立密封件截面几何特征，选用Mooney-Rivlin材料模型，接触面为刚性，橡胶件上下表面设置接触对边界条件。密封件在静止刚性平面和重物圆柱体之间受到挤压，模型中还考虑到了内部密闭空气对密封件产生的压力作用。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Nonlinear_Material_Models/hyperelastic_seal。
弹簧钩接触分析
弹簧钩在自动控制领域很常见，例如汽车的控制系统等。该模型是一个高度非线性问题，弹簧钩为弹塑性材料，而钩槽为线弹性材料，钩与槽的接触出现大变形，而分离后有残余应力。采用后处理探测图功能可实时监测弹簧钩在开关过程中反作用力的变化情况。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Contact_and_Friction/snap_hook_fastener。
圆筒壁疲劳分析
采用基于Smith-Watson-Topper (SWT) 模型对部件进行低周循环疲劳分析。由于存在局部屈服，分别采用两种方法都可以获得应力应变分布。第一种是通过线性运动硬化法则来进行弹塑性分析；第二种是基于 Ramberg-Osgood材料模型，通过对塑性进行Neuber修正，然后进行线弹性分析。结果表明，在小孔附近出现应力集中。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Fatigue/cylinder_hole。
汽车轮毂疲劳分析
该案例中轮毂有10根辐条，进行网格剖分后网格数目会很多，模型将十分庞大。为了解决该问题，使用迭代求解器，并充分利用模型的对称性。轮胎的载荷由胎压和由轮胎传递到轮缘的旋转载荷组成，结果表明辐条与轮毂中间连接处出现应力集中，这一结果为设计人员改善汽车轮缘性能指明了方向。
案例来源：Structural_Mechanics_Module/ Fatigue/wheel_rim_fatigue。