COMSOL Multiphysics结构力学应用
COMSOL软件在流体、结构、传热等多物理场耦合领域的应用
Subsurface Flow Module基于地下水流动分析地球物理现象在建的核废料储存库，用于在接下来的10 万年内储存乏燃料棒。
该模型模拟的情形是：燃料束套筒发生破裂，导致核废料通过周围的岩石裂隙发生渗漏，并回充到上方的隧道中。
饱和与变饱和渗流地下水流动模块面向需要仿真地下或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们，并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系，例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。
它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动，以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现象。
地下水流动模块可以模拟管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水，并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。
许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。
民事、采矿、石油、农业、化工、核能和环境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象，因为他们从事的行业会直接或间接（通过环境因素）影响我们生存的地球环境。
地下水渗流影响许多地球物理属性地下水流动模块内包含了许多专用的接口，用于模拟地下环境中的流动及其他现象。
作为物理接口，它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接口组合并直接耦合，或与COMSOL 模块套件中任何其他模块的物理接口组合并直接耦合。
例如，地下水流动模块的多孔弹性模型与岩土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。
融合地球化学反应速率和动力场COMSOL 使您可以在地下水流动模块物理接口中的编辑区域内灵活地输入任意公式，这对于在质量传递接口中定义地球化学反应速率和动力场非常有用。
但是，将这些物理接口与化学反应工程模块耦合将意味着，您可以通过该模块易用的物理接口定义化学反应，模拟多个多物质反应。
对于模拟核废料数千年间在其储存库中的扩散及多步反应过程，这两种模块的组合会很有用。
更多图片地下水流动的仿真物理接口地下水流动模块用于仿真多孔介质流动及其相关过程：多孔介质流动地下水流动模块的核心功能是模拟变饱和与完全饱和多孔介质中的流动。
COMSOL_Multiphysics(FEMLAB)简介
一、简介
COMSOL Multiphysics（原FEMLAB）是一个专业有限 元数值分析软件包，是对基于偏微分方程的多物理场模 型进行建模和仿真计算的交互式开发环境系统。它为所 有科学和工程领域内物理过程的建模和仿真提供了一种 崭新的技术！
二维应用： •平面应力； •平面应变； •厚板分析； •轴对称； •欧拉梁；
三维分析： •固体； •欧拉梁；
•壳体；
在所有这些分析中，用户可以直接输入材料性质，也可以通过内嵌材料 库方便快捷地调用它们。同时，定义正交各向异性和完全各向异性材料 性质也是相当方便的。材料的性质可以是任意空间、时间或者其它变量 的函数。
结构力学模块的新特征：
¾塑性和非线性材料模型 ¾正交各向异性和完全各向异性材料 ¾粘弹性、粘塑性和类橡胶材料的大变形分析 ¾不同材料的局部坐标系统 ¾考虑模型初始应力和应变的模型 ¾多物理场中塑性求解运算和非线性材料模型
2. 热传模块
COMSOL Multiphysics的热传模块能解决的问题包括传导、辐射和对 流的任意组合。建模界面的种类包括面－面辐射、非等温流动、活性组 织内的热传导、以及薄层和壳中的热传导等。
3. 地球科学模块
COMSOL Multiphysics的地球科学模块包含了大量针对地下水流的简 易模型界面。这些界面允许快速、便捷地使用描述多孔介质流体的 Richards方程、Darcy定律、Darcy定律的Brinkman扩展，以及自由 流体中的Navier-Stokes方程。此外，该模块还处理了多孔介质中的热 量传输和溶质反应，模型库中几乎囊括了从多孔介质中油和气体的流动 到地下水流中的分布。
对于非均匀材料系统的热传导和对流问题可计算有效性质的材料表格作为放射性热源刻画等温线的界面可以添加热量耗散的选项其结果来自于孔内的流速和固体岔路的流体分叉对于开放式系统和多孔介质中流体流动的分析对于不同饱和程度的多孔介质使用已知的分析公式对实验数据进行差值并输入任意表达式以估测非线性的保持力和渗透性对于可流动和不可流动区域介质内流体建模的辅助系数例如化学传输性质的边边输入从计算结果中评估溶质的运动可预定以水动力耗散张量描述流量边界条件在点和边上设定时间控制的约束条件和流量从环境流体分析到石油工程研究领域的案例模型在comsolmultiphysics中问题的函数化包括非限制的多物理场耦合控制方程和定义材料属性的表达式
COMSOL Multiphysics 结构力学模块介绍
COMSOL Multiphysics 结构力学模块介绍
结构力学模块专门用来计算结构的受力及变形情况。
例如，计算部件或子系统在载荷下的变形情况，对壳结构和桁架结构的分析功能等。
模块分析功能包括：
∙静力分析；
∙准静态瞬态分析；
∙动态分析；
∙固有频率分析；
∙频率响应分析；
∙线性屈曲分析；
∙弹塑性行为；
∙超弹性行为；
∙大变形分析；
∙参数研究。
基于材料破坏临界面理论，在后处理中可对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分析。
针对具体对象，结构力学模块可以和COMSOL Multiphysics模块或者其他分析模块任意组合，来分析实际问题中的多物理场现象。
应用领域：
∙声学－结构耦合
∙生物力学和生物工程学
∙屈曲分析
∙弹塑性材料和超弹性材料分析
∙机电设备
∙疲劳分析
∙流固耦合
∙断裂力学
∙多物理场接触
∙压电效应
∙聚合物力学
∙应力光学效应
∙热摩擦
∙热－结构耦合
∙粘弹性和热力蠕变
血管血流分析：血管在血流作用下发生变形
微型机器人足部三维模拟
曲轴模态分析
流-固耦合分析
血管支架展开过程的变形分析
粘弹性结构阻尼器。
COMSOL Multiphysics 结构力学模块介绍
COMSOL Multiphysics 结构力学模块介绍
结构力学模块专门用来计算结构的受力及变形情况。
例如，计算部件或子系统在载荷下的变形情况，对壳结构和桁架结构的分析功能等。
模块分析功能包括：
∙静力分析；
∙准静态瞬态分析；
∙动态分析；
∙固有频率分析；
∙频率响应分析；
∙线性屈曲分析；
∙弹塑性行为；
∙超弹性行为；
∙大变形分析；
∙参数研究。
基于材料破坏临界面理论，在后处理中可对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分析。
针对具体对象，结构力学模块可以和COMSOL Multiphysics模块或者其他分析模块任意组合，来分析实际问题中的多物理场现象。
应用领域：
∙声学－结构耦合
∙生物力学和生物工程学
∙屈曲分析
∙弹塑性材料和超弹性材料分析
∙机电设备
∙疲劳分析
∙流固耦合
∙断裂力学
∙多物理场接触
∙压电效应
∙聚合物力学
∙应力光学效应
∙热摩擦
∙热－结构耦合
∙粘弹性和热力蠕变
血管血流分析：血管在血流作用下发生变形
微型机器人足部三维模拟
曲轴模态分析
流-固耦合分析
血管支架展开过程的变形分析
粘弹性结构阻尼器。
COMSOL_结构力学
Model courtesy Comet AG, Switzerland.
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
Inventor 实时连接
®
TM
• 连接COMSOL Multiphysics 和Inventor. • 参数扫描并在Inventor中直 接设计优化。
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
瞬态分析
• 刚性连接处位移（x,y,z）随时间变化：
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
特征频率
• 分析结构在外界载荷下的固有频率大小： • 六个最小特征频率：
f=117Hz
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
预应力特征频率
• 分析结构在无载荷下的固有频率大小： • 六个最小特征频率：
装配体
• 对大的CAD模型，有时不采 用一致性网格将更有效 • 图中显示的是F1赛车前翼 的1/2，其网格剖分采用了 装配体特征
• 一个装配体对象包括几个 组合几何体对象
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
支架结构分析
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！ Infi实！
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
刚性连接
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弹性固定
弹性固定
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
瞬态分析
• 载荷分布：
Infinitely Closer to Real 无限接近真实！
COMSOL Multiphysics在医疗药物中的应用
COMSOL Multiphysics在医疗药物中的应用“通过对新产品进行设计和改进，计算机建模已经证明了它的价值。
”这是John Kalafut，一位MEDRAD研发部门(Indianola,Pennsylvania)的首席研究学者的经验之谈，他指出“COMSOL Multiphysics在我的整个职业生涯中陪伴着我，最初是在MEDRAD公司的系统工程方面，现在则是在R&D方面，甚至是用在那些多年后才能商业化量产的产品上”。
Kalafut作为一个医学工程师的经验显示了在很多时候我们都需要解决多物理场耦合模型的问题。
MEDRAD，一个每年有5亿美元销售额的成像诊断和治疗的医学设备生产商、销售商和服务提供商，它的业务主要集中在三个领域：心脑血管诊断，磁共振成像，X线断层摄影术。
公司在世界范围内有1700名员工，来自全世界的医师每年使用该公司的两千万个医疗程序。
公司的核心竞争力之一就是血管内流体输送，比如，如何供应精确的药剂量或者造影剂的量。
公司的研发部门为了保持公司每年15%的成长速度负责研究新型的技术，投资商业项目和医学应用。
公司的5名工程师利用COMSOL软件解决了大量的难题。
Kalafut说，“COMSOL Multiphysics是一个自然地选择，它可以给我们在一些新概念的研究上提供支持，对于所有的生物医学工程师而言这是帮助我们研究的相当有利的一个工具，它的完全的多场耦合仿真能力意味着我们几乎可以处理任何的多场耦合问题。
COMSOL Multiphysics让我们花费不多的钱来对复杂的耦合现象有一个快速的认识和研究。
”从建模的角度来看，很多公司的研究涉及到如何用最有效，最安全的方式去传输那些帮助诊断的流体到病人的身体中去。
在类似的研究中流体动力学发挥着一个重要的作用，这些模型包括热传导、静电学、化学工程、电磁学和其他物理方面的模型。
找到最好的峰值增强治疗如果CT扫描仪扫描完整人体的全部过程可以在很短时间内完成，那么传输速度将是影响其扫描速度提高的非常重要的因素（图1a）。
comsol结构力学模块介绍
– 粘弹性
• 用户自定义非线性材料模型 • 大形变（结构非线性）
– 大位移/旋转 – 应力硬化效果和非线性弯曲
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分离鼓振动分析
第12个本征值为11.6Hz，阀动器的大 振幅
最小的本征值为3.21Hz，大尺度管线 的缺点
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结构力学模块
静态线弹性分析
多物理场
热－固耦合 压电 声－结构耦合 流－固耦合
动态和振动
模态分析 频响分析 瞬态分析
非线性分析
材料非线性 结构非线性 边界非线性
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案例展示
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结构力学模块的特点（续）
• 坐标系统
COMSOL Multiphysics 在岩土工程领域的应用案例集
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多分支井
从一根管道中分岔出很多分支，能有效地提高采油效率，因为众多分支可以绕过不可渗透的区域，进入富油区。本例 耦合流体流动和固体形变，在 COMSOL Multiphysics 中轻松快捷地进行了一个孔隙弹性分析，估算了由抽油引起流体压力变 化，并继而产生应力、应变和位移。分析估算抽取地下水过程中的 3D 压缩，流体流动符合达西（Darcy）定律，与应力－应 变分析进行耦合分析。模拟的结果放到库仑表达式中，分析由抽油引起的压缩会在什么位置大到引起井的破坏。结果表明破 坏在分支井的交叉处发生。 案例来源： Earth_Science_Module/Flow_and_Deformation/multilateral_well
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k W n S p esdl gZ
Darcy Brinkman
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案例来源：内部 ppt 煤岩体瓦斯、水渗流耦合过程数值模型及其在矿山工程中的应用 素材由杨天鸿教授提供
Time＝1s时渗透性系数分布图
Time＝1e7s时渗透性系数分布图
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隔水边界
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• 材料非线性问题 -- 弹塑性材料模拟
• 接触问题
阻尼影响
• 钢结构支架通常存在百分之几的阻尼比
边界载荷
• 设定边界载荷大小，在边界载荷上右键添加谐波扰动。
频域求解器设置
• 前面的分析表明，第一共振频率是117赫兹。为了 正确捕获的共振峰，可以围绕这些频率值进一步分 析。
预应力频率响应分析
• 在圆孔处添加一个旋转坐标系下的边界载荷。
非线性问题
预应力和应变
• 模型在施加所考虑的荷载之前已存在应力或应变
线性屈服分析
• 大变形梁
粘土层屈服分析
• 岩土材料本构 • 使用无限元 • 网格的使用
应力集中
• 轮毂中的应力集中问题。首先通过求解全局模型获 得变形，然后将变形作为边界在一个局部子模型中 求解应力集中。
静态线性分析
静态线性分析
静态线性分析（框选）
壳体厚度设定
• 在壳体接口中设定厚度
缘载荷
• 圆孔处施加缘载荷
后处理计算
• 计算螺钉处 的y方向的 反作用力
瞬态分析
• 分析类型选择Time Dependent
参数、变量、坐标系
固体力学设定
• 右键点击线性材 料模型，添加阻尼
作用力
• 在圆孔处施加硬接触和作用力
设定瞬态求解器
• 设定时间的步长（此为后处理步长）
求解变量的缩放
• 在缺省求解器设置中进行求解变量的缩放
特征频率分析
• 选择Eigenfrequency分析类型
条件设定
• 设定固定约束（螺钉）和边界载荷（圆孔）
特征频率求解器
• 设定待求特征频率数 • 设定特征频率收索
范围
预应力特征频率分析
• 外部载荷会影响结构的本征频率
频率响应分析
• 频率响应分析解决了由谐波扰动导致的结构变形。 在频域分析中，你可以设置一个频率范围，计算 结构的位移。
……
• 具体案例操作
结构力学
分析类型
结构多样性
桁架（Truss） 梁（Euler beam）
壳（Shells） 板（Plates）
内置本构关系
弹性
- 各向同性 - 正交各向异性 - 各向异性
弹塑性
- Mises-Tresca屈服准则 - 用户定义的屈服准则
超弹性
- Neo-Hookean - Mooney-Rivlin - Murnaghan - 用户定义的应变能函数
弹性条件
• 参数设定
定义载荷的方向为theta0 给出法向和切向弹性系数
弹性条件
• 在各个螺钉的位置 设定弹性边界条件
弹性条件
• 在圆孔处加入载荷
将坐标系选为旋转坐标系 定义单位面积上的载荷
壳体接口
• 选用壳体接口进行模拟
• 参数与变量的定义
壳体几何
• 几何文件
COMSOL42a\models\Structural_Mechanics_Module\Tutor ial_Models\bracket_shell.mphbin
COMSOL
Multiphysics 结构力学应用
COMSOL Multiphysics V4.2a产品线
Structure Mechanics in V4.2a
目录
• 结构力学
- 分析类型 - 常见固体力学分析 - 非线性分析
• 多物理耦合
- 流固耦合 - 热固耦合 - 声固耦合 - 压电设备
粘弹性
- Prony series
内置本构关系（续）
约束
• 接触
- 2D/3D连续元素 - 静态和瞬态分析 - 基于表面的方法 - 增广拉格朗日算法
• 运动学约束与关节
- 挤压与投影耦合 - 全局方程 - 刚性连接
振动分析
• 结构振动 - 通常涉及到一些声固耦合分析
本征频率分析
• 本征频率是一个或一组能够以纯正弦或余弦三角 函数的角度参数表示的频率参数。 • 研究的是研究对象的内在属性
静态线性分析（约束）
静态线性分析（边界）
•
边界载荷
参数扫掠分析
反作用力
绘制反作用力
பைடு நூலகம்
初始应力与应变
参数与模型
•
初始应变
• 在材料模型下添加 初始应变
硬联接
• 在两孔处添加刚性接触节点 指定位移与旋转轴
硬联接（作用力）
• 右键单击刚性连接节点添加作用力，可以在空间 中任意位置施加。 坐标系默认选中全 局坐标系统，选择 一个坐标系来指定 力的方向。 旋转中心是默认选 中的，也可以自定 义。