機(jī)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(gè)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(jì)算方法也確實(shí)給機(jī)械和工程設(shè)計(jì)帶來了很大幫助。實(shí)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?cè)诜治隽W(xué)時(shí)考慮多物理場的概念。

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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(jì)、減少開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。COMSOL 即為廣大科研及設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)。

1.熱應(yīng)力和熱膨脹

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現(xiàn)代飛機(jī)的整個(gè)機(jī)身大量使用了碳纖維復(fù)合材料（如波音 787 夢想客機(jī)），因?yàn)檫@種材料重量輕且具有極其出色的強(qiáng)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(hù)涂層可以保持完好無損。

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(duì)應(yīng)于菱形的短對(duì)角線和長對(duì)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

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(jì)，但對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)此類聲納導(dǎo)流罩內(nèi)換能器系列運(yùn)轉(zhuǎn)的干擾程度還存在疑問。意大利造船學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)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(fù)載，他們就能模擬湍流邊界層與球鼻船首進(jìn)行相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生得自噪聲，以減少振動(dòng)對(duì)換能器的影響。
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球鼻船首

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左圖：對(duì)球鼻船的 1 : 8 比例模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。球鼻船的某個(gè)部分被替換為透明材料， 透明材料上放置了一個(gè)加速計(jì)。仿真固顯示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（右）。

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3.電場與機(jī)械耦合

6 Z4 G% q2 i+ w2 r5 v' `' G% p* GABB 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?jiǎng)?chuàng)造設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)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(shí)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(fù)載分接開關(guān)。

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使用 COMSOL Multiphysics ,在兩個(gè)相鄰相上施加電壓時(shí)，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。

+ a( c! T, W& h1 O" c! {) b# h4.換能器設(shè)計(jì)
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# {; D' f3 V7 y3 G工業(yè)級(jí)聲音及振動(dòng)分析會(huì)面臨多種挑戰(zhàn)，從交通和機(jī)場噪聲，到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，再到風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲，聲壓級(jí)涵蓋從低于聽力闕值的聲壓級(jí)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(dòng)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(jì)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(jì)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(yàn)證其設(shè)備精度和準(zhǔn)確度，以及測試新型創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(hù)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(jī)械力學(xué)領(lǐng)域的仿真實(shí)例，可參看：

" _9 Q! G$ N+ Z' R* [7 U用戶故事集錦
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/ s" V+ D' h% r4 E. g2 ZCOMSOL力學(xué)博客

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5 o3 N# l1 c* L0 U9 p! g% `( D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(qǐng)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$ l1 c8 p% a: \( c! I有相關(guān)的電子文檔么，分享一下??！

6 z/ K. ^1 l3 M9 h9 n$ o. V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。
$ B# N* M$ b8 b. _* [http://cn.comsol.com/resources
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余存

小白前來報(bào)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(gè)軟件的特點(diǎn)是什么？