機械與結構力學中的多物理場仿真

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康小數

電梯直達

發表于 2015-10-20 09:59:26 | 只看該作者 |正序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由康小數于 2015-10-29 15:06 編輯

結構力學是首個將有限元作為標準工具的工程領域，這種精確和有效的計算方法也確實給機械和工程設計帶來了很大幫助。實際的力學問題通常涉及多種相互影響的物理現象，例如，由于受熱產生的熱應力和熱膨脹問題，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時考慮多物理場的概念。

多物理場仿真已經被越來越多的研究人員所采用，逐漸成為制造業中高效設計、減少開發成本、縮短產品研發周期的一個重要環節。COMSOL 即為廣大科研及設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量的物理場，如電磁、力學、傳熱、流體流動和化學反應等，耦合在一起。

有很多世界知名企業，比如波音、ABB 等公司，都在用 COMSOL 多物理場仿真軟件進行產品研發和設計。

1.熱應力和熱膨脹

現代飛機的整個機身大量使用了碳纖維復合材料（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。在復合結構層合板中添加多孔金屬箔（EMF），用以消散由雷擊產生的過量的電流和熱量。波音研究與技術中心（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生的熱應力后 EMF 防護涂層可以保持完好無損。

左側是來自 COMSOL 模型的復合結構層合板，右側是多孔金屬箔的幾何。SWD 和 LWD 對應于菱形的短對角線和長對角線。網格縱橫比 SWD/LWD 是在仿真中發生改變的參數之一。

2.流固耦合

近年來，出現了在船上利用球鼻船首來容納不同類型聲納系統的設計，但對于結構振動對此類聲納導流罩內換能器系列運轉的干擾程度還存在疑問。意大利造船學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合材料的復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生得自噪聲，以減少振動對換能器的影響。

球鼻船首

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。仿真固顯示了系統的結構響應（右）。

3.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造設計出一種供分接開關使用的絕緣材料，使之能夠承受數千伏的應力。為了解決介電應力問題，ABB 構造了一個幾何模型，并將其無縫同步到 COMSOL 軟件中。這樣，他們便能調整大型 CAD 裝配件中的幾何，然后生成進行大規模仿真所需的高質量網格。通過使用 COMSOL 仿真，ABB 能夠開發出基于實際場條件下執行 100 萬次操作的分接開關。

ABB 的田納西州阿拉莫設施中的真空電抗式負載分接開關。

使用 COMSOL Multiphysics ,在兩個相鄰相上施加電壓時，旁路開關（處于開路位置）和真空斷流器裝配體的介電應力仿真。右邊的裝配體設置為接地。

4.換能器設計

工業級聲音及振動分析會面臨多種挑戰，從交通和機場噪聲，到汽車發動機振動，再到風力渦輪機噪聲，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的領導者，現在他們必須能夠設計出可滿足一系列不同測量標準的麥克風和加速度計以及產品質量控制。為了能夠滿足這些要求，公司在研發流程中加入了仿真來作為一種驗證其設備精度和準確度，以及測試新型創新設計的方法。