机械与结构力学中的多物理场仿真

康小数

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结构力学是首个将有限元作为标准工具的工程领域，这种精确和有效的计算方法也确实给机械和工程设计带来了很大帮助。实际的力学问题通常涉及多种相互影响的物理现象，例如，由于受热产生的热应力和热膨胀问题，流体与固体的相互作用问题，以及压电材料中的电磁、电场、声场等的相互作用问题，等等。这就需要我们在分析力学时考虑多物理场的概念。

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多物理场仿真已经被越来越多的研究人员所采用，逐渐成为制造业中高效设计、减少开发成本、缩短产品研发周期的一个重要环节。COMSOL 即为广大科研及设计人员提供了这样一款多物理场仿真工具，能够轻松地将任意数量的物理场，如电磁、力学、传热、流体流动和化学反应等，耦合在一起。

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有很多世界知名企业，比如波音、ABB 等公司，都在用 COMSOL 多物理场仿真软件进行产品研发和设计。

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1.热应力和热膨胀

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现代飞机的整个机身大量使用了碳纤维复合材料（如波音 787 梦想客机），因为这种材料重量轻且具有极其出色的强度。在复合结构层合板中添加多孔金属箔（EMF），用以消散由雷击产生的过量的电流和热量。波音研究与技术中心（BR&T）的工程师正在利用 COMSOL 多物理场仿真软件和物理测量，以确保受到地空飞行周期产生的热应力后 EMF 防护涂层可以保持完好无损。

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左侧是来自 COMSOL 模型的复合结构层合板，右侧是多孔金属箔的几何。SWD 和 LWD 对应于菱形的短对角线和长对角线。网格纵横比 SWD/LWD 是在仿真中发生改变的参数之一。

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2.流固耦合

近年来，出现了在船上利用球鼻船首来容纳不同类型声纳系统的设计，但对于结构振动对此类声纳导流罩内换能器系列运转的干扰程度还存在疑问。意大利造船学研究与实验国家研究所（INSEAN）使用 COMSOL 多物理场仿真模型来捕捉湍流边界层激振。由于在模型中考虑用了球鼻船首的复合材料的复杂性以及湍流边界层负载，他们就能模拟湍流边界层与球鼻船首进行相互作用时会产生得自噪声，以减少振动对换能器的影响。
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球鼻船首

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左图：对球鼻船的 1 : 8 比例模型进行实验活动。球鼻船的某个部分被替换为透明材料， 透明材料上放置了一个加速计。仿真固显示了系统的结构响应（右）。

3.电场与机械耦合
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) }6 \8 \5 O# X6 V! v9 Q3 B% ^ABB 在田纳西州阿拉莫的变压器组件专家面临的最大问题是要创造设计出一种供分接开关使用的绝缘材料，使之能够承受数千伏的应力。为了解决介电应力问题，ABB 构造了一个几何模型，并将其无缝同步到 COMSOL 软件中。这样，他们便能调整大型 CAD 装配件中的几何，然后生成进行大规模仿真所需的高质量网格。通过使用 COMSOL 仿真，ABB 能够开发出基于实际场条件下执行 100 万次操作的分接开关。

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ABB 的田纳西州阿拉莫设施中的真空电抗式负载分接开关。

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使用 COMSOL Multiphysics ,在两个相邻相上施加电压时，旁路开关（处于开路位置）和真空断流器装配体的介电应力仿真。右边的装配体设置为接地。

4.换能器设计

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+ A) h* Z. ]2 B  T3 Z8 \0 x5 m' [工业级声音及振动分析会面临多种挑战，从交通和机场噪声，到汽车发动机振动，再到风力涡轮机噪声，声压级涵盖从低于听力阙值的声压级一直到正常大气压条件下的最高声压。Brüel & Kjær A/S 一直是声音与振动测量及分析行业的领导者，现在他们必须能够设计出可满足一系列不同测量标准的麦克风和加速度计以及产品质量控制。为了能够满足这些要求，公司在研发流程中加入了仿真来作为一种验证其设备精度和准确度，以及测试新型创新设计的方法。

图：左：4134 麦克风图片，包含振膜上方安装的保护格栅。右：典型麦克风音头的截面图，显示了其中的主要零件。

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7 b5 z* }3 s( Q) O9 r了解更多机械力学领域的仿真实例，可参看：

! S: X. z( |4 s: g1 R# U用户故事集锦

5 {! W- m# M& t% x+ ]. I4 WCOMSOL力学博客

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# v# R$ X' W6 n% W/ _" L) D( e本文所引用的例子均来源于 COMSOL，版权归 COMSOL 公司所有。如需转载本文，请联系本文作者。



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liupt888

学习一下！！！

没文化

有限元，学习一下

清风自来_

支持一下。。。

番茄西瓜

学习啦

好学很好学

很高端的东西哈

陌上古道

有相关的电子文档么，分享一下！！

康小数

陌上古道 发表于 2015-10-20 22:06
有相关的电子文档么，分享一下！！

% @- B1 l$ i5 T我看到官网最下方有“技术资源集锦”的链接，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

余存

小白前来报到

爱猫人士薛定谔

楼主能讲讲和其他有限元软件相比， 比如ANSYS /NASTREN  ，这个软件的特点是什么？