Novità COMSOL Multiphysics^® versione 6.1

Aggiornamenti dello Structural Mechanics Module

Per gli utenti dello Structural Mechanics Module, la versione 6.1 di COMSOL Multiphysics^® offre miglioramenti alla modellazione dei contatti, la possibilità di aggiungere materiali lineari e non lineari ai contorni e una nuova funzione che testa e verifica numericamente il comportamento di un modello di materiale per un dato insieme di proprietà del materiale. Di seguito sono riportati tutti gli aggiornamenti dello Structural Mechanics Module.

Miglioramenti alla modellazione dei contatti

Sono state apportate diverse aggiunte e migliorie alla funzionalità di modellazione dei contatti. Eccone alcune:

• È stato implementato un nuovo algoritmo di ricerca dei contatti più veloce. È particolarmente vantaggioso per i modelli 3D di grandi dimensioni.
• È stato aggiunto il metodo di Nitsche, un nuovo metodo per formulare le equazioni del contatto. Si tratta di un metodo robusto che non aggiunge ulteriori gradi di libertà.
• Sono state aggiunte nuove formulazioni più stabili delle equazioni di contatto per tutti i modelli di contatto.
• Sono state migliorate le formulazioni per shell e membrane. Ora sulle geometrie curve viene utilizzata la superficie effettiva.
• È stato migliorato il supporto per l'autocontatto. La formulazione è ora simmetrica tra i due lati della coppia di contatto.

Animazione di un tubo elastoplastico forzato in un foro conico. L'autocontatto si verifica in diversi punti.

Interfaccia di meccanica solida in 1D

L'interfaccia Solid Mechanics è ora disponibile per i componenti assialsimmetrici 1D e 1D e non richiede alcun prodotto aggiuntivo per la funzionalità di base. Nelle direzioni trasversali è possibile selezionare diverse combinazioni di sollecitazione piana, deformazione piana e deformazione piana generalizzata. Esistono numerose applicazioni multifisiche, ad esempio nella modellazione delle batterie, nell'acustica e nell'interazione termica-struttura, in cui un modello 1D può essere utile per fornire importanti approfondimenti su un fenomeno fisico. Si noti che la funzionalità per le deformazioni da intercalazione nelle batterie è inclusa nel Battery Design Module. Per una modellazione 1D più avanzata, sono disponibili ulteriori funzioni con lo Structural Mechanics Module, il MEMS Module, il Multibody Dynamics Module o l'Acoustics Module.

Problema accoppiato termo-strutturale con contatto in assimetria 1D. Si noti che la rappresentazione sottostante è costituita semplicemente da elementi 1D lungo una linea, mentre i risultati sono estesi a una geometria circolare per una migliore visualizzazione.

Test numerici di modelli di materiali

Per i modelli di materiali complessi, in particolare quelli definiti dall'utente, è importante studiare il comportamento del modello in varie condizioni di carico. La nuova funzione Test Material dell'interfaccia Solid Mechanics può impostare automaticamente un piccolo modello a un elemento con condizioni al contorno appropriate e fasi di studio per diverse condizioni di carico. Il carico può essere quasistatico o dipendente dal tempo, monotono o ciclico. Questa nuova funzione è visibile nei modelli aggiornati Isotropic Compression with Modified Cam-Clay Material Model e Primary Creep Under Nonconstant Load.

Curve di sforzo-deformazione per quattro diversi test fondamentali di un modello di materiale.

Materiali sui contorni dei solidi

È ora disponibile un'ampia gamma di modelli di materiali lineari e non lineari da utilizzare su contorni interni o esterni. Possono essere usati, ad esempio, per modellare strati di colla, guarnizioni o rivestimenti. Tali strati possono utilizzare diverse ipotesi, che vanno dalla completa tridimensionalità alle sole deformazioni in piano. Con il Composite Materials Module, i materiali di contorno possono anche essere multistrato. Il modello già esistente Heating Circuit mostra questa nuova integrazione.

Sforzi in una guarnizione tra due flange di tubi.

Interfaccia fisica per i cavi

È stata aggiunta una nuova interfaccia Wire per l'analisi di sistemi di cavi o fili, separatamente o in combinazione con altri tipi di strutture. I cavi possono essere precompressi o cedere sotto il peso proprio. Questa nuova funzionalità è visibile nel nuovo tutorial Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads e nei seguenti modelli già presenti:

• vibrating_string
• hanging_cable

Forze in una griglia di fili sotto un carico di gravità quando i punti di appoggio vengono spostati verso l'interno. Una parte della griglia si appoggia su una superficie rigida.

Interfacce multifisiche per lo smorzamento a film sottile

Sono state aggiunte due nuove interfacce multifisiche per lo smorzamento a film sottile: Solid Thin-Film Damping e Shell Thin-Film Damping. Esse combinano un'interfaccia Thin-Film Flow rispettivamente con Solid Mechanics o Shell. Esistono anche due nuovi accoppiamenti multifisici che facilitano questa operazione: Structure Thin-Film Flow Interaction e Shell Thin-Film Flow Interaction. Questi accoppiamenti non si limitano allo smorzamento del film sottile; è possibile utilizzarli anche per modellare la lubrificazione e la cavitazione, ad esempio.

Smorzamento del gas con film pressurizzato in un accelerometro. Il grafico a colori mostra la pressione del gas su due superfici per il dominio solido.

Analisi di buckling con carichi fissi

Quando si cerca un carico critico di instabilità, ci sono alcune situazioni in cui esistono più sistemi di carichi e uno di essi può essere considerato fisso. Ad esempio, un carico gravitazionale può essere considerato fisso (un dead load), mentre un carico di esercizio può essere considerato non fisso (un live load). Anche se si volesse calcolare solo il livello critico di un carico di servizio, il carico fisso influenzerebbe comunque il rischio di instabilità. Questo tipo di analisi è ora integrato e può essere visualizzato nel nuovo modello Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads.

Le impostazioni del solutore per un'analisi di instabilità lineare consentono ora di gestire una combinazione di carichi attivi e fissi. Nell'esempio, la precompressione dei tiranti e il peso proprio della torre sono considerati carichi fissi, mentre una forza in sommità è il carico attivo.

Usura per shell e membrane

Analogamente alla funzionalità già disponibile nell'interfaccia Solid Mechanics, alle interfacce Shell e Membrane è stato aggiunto il sottonodo Wear. Questa funzionalità consente di calcolare l'usura che riduce lo spessore di shell e membrane a causa dello scorrimento per attrito. La stessa tecnologia consente di aggiungere espressioni definite dall'utente per il tasso di variazione dello spessore. Questo può essere utilizzato per modellare, ad esempio, la corrosione o l'elettrodeposizione.

Usura sulla superficie di uno shell dovuta allo scorrimento per attrito di un oggetto solido cilindrico. La visualizzazione è realizzata utilizzando un set di dati Shell, dando l'impressione che entrambe le parti siano solidi 3D.

Nuovo metodo per collegare gli assiemi

Il metodo di Nitsche è stato aggiunto per imporre la continuità tra i contorni degli assiemi. Presenta due importanti vantaggi rispetto ai classici vincoli puntuali:

• Causa molti meno disturbi locali nella soluzione quando le mesh dei due lati non sono conformi.
• Poiché non vengono aggiunti vincoli, si evita di doverli eliminare, operazione numericamente sensibile e talvolta pesante dal punto di vista computazionale.

Confronto dei disturbi locali delle sollecitazioni quando si utilizza un vincolo classico o il nuovo metodo Nitsche per collegare le mesh non corrispondenti.

Miglioramenti alla Component Mode Synthesis

È ora possibile utilizzare elementi shell nelle analisi di component mode synthesis (CMS). Sono stati inoltre apportati diversi miglioramenti generali che facilitano l'impostazione dei modelli per le analisi CMS.

Studio della dinamica di una lavatrice. Il tempo di analisi si riduce di un fattore 2 quando lo shell che rappresenta l'involucro viene ridotto a un componente CMS.

Eccitazione di base

È comune che il carico dinamico su una struttura consista in una certa accelerazione di tutti i suoi punti di appoggio. Ad esempio, quando un pezzo viene fissato a una tavola vibrante per le prove o quando un edificio viene sottoposto a un'accelerazione del terreno con una lunga lunghezza d'onda. Questo tipo di carico può ora essere descritto in modo più naturale utilizzando la nuova funzione Base Excitation. È adatto per l'analisi delle vibrazioni casuali. È possibile visualizzare questo aggiornamento nei modelli esistenti Shock Response of a Motherboard e Random Vibration Test of a Motherboard.

Un esempio di utilizzo della funzione Base Excitation, in cui si utilizzano tre densità spettrali di potenza (PSD) in ingresso in un'analisi di vibrazioni casuali. L'eccitazione di base è una proprietà dell'intero modello, pertanto questa funzione non presenta alcuna selezione.

Carichi dati come risultante

Per i carichi al contorno e gli insiemi di carichi puntuali, è ora possibile specificare la forza e il momento totali rispetto a un determinato punto selezionando l'opzione Resultant dall'elenco Load type. In questo modo è più facile applicare le risultanti dei carichi senza imporre vincoli artificiali o fare lunghi calcoli delle distribuzioni effettive dei carichi. È possibile controllare la forma assunta dalla distribuzione del carico.

All'estremità di una trave, modellata come un solido 3D, viene applicato un carico di flessione dato come risultante di un momento. La distribuzione effettiva del carico è indicata dalle frecce.

Valutazione delle saldature

Per le strutture saldate, la capacità di prevedere le sollecitazioni nelle saldature è un aspetto importante della progettazione. Nell'interfaccia Shell è ora possibile valutare le sollecitazioni lungo i bordi collegati. Il metodo è semianalitico, nel senso che la saldatura non è modellata nella geometria, ma è rappresentata dalle sue proprietà. È possibile valutare le saldature di raccordo su un solo lato e su due lati, nonché le saldature di testa.

Indice di rottura per una serie di saldature.

Nuovi input per i materiali anisotropi

Nella funzione Linear Elastic Material sono state aggiunte diverse nuove opzioni per l'inserimento delle costanti elastiche:

• I materiali ortotropi possono ora essere descritti da dati cristallini per sette diversi tipi di sistemi cristallini: cubico, esagonale, trigonale con sei costanti, trigonale con sette costanti, tetragonale con sei costanti, tetragonale con sette costanti e ortorombico.
• È supportato l'input per materiali trasversalmente isotropi, riducendo il numero di input per questa classe di materiali.
• Un materiale anisotropo generale può ora essere rappresentato, oltre che dalla matrice di elasticità, anche dalla sua matrice di cedevolezza.

L'interfaccia utente per l'inserimento dei dati di elasticità utilizzando un sistema a cristalli.

Miglioramenti per i connettori rigidi

Il Rigid Connector è uno strumento importante per la modellazione astratta, ad esempio per l'applicazione di carichi e il collegamento di oggetti. La sua funzionalità è stata migliorata sotto tre aspetti:

• È ora possibile scollegare gradi di libertà selezionati, ad esempio nelle direzioni date da un sistema di coordinate locali. Con questa opzione, è possibile liberare i vincoli eccessivi e ridurre le concentrazioni di sollecitazioni locali.
• Per i connettori rigidi a due punti in 3D, è possibile sopprimere automaticamente la potenziale singolarità rotazionale.
• Come nuova impostazione predefinita, i gradi di libertà generati dai connettori rigidi sono ora raggruppati nella sequenza di studio. Ciò consente di ridurre drasticamente il numero di nodi nell'albero del modello e facilita l'applicazione di una scala manuale per la tolleranza di convergenza. La stessa modifica si applica anche alla funzione Attachment.

Effetti dei gradi di libertà rilasciati. Il riduttore con pressione interna ha un connettore rigido all'estremità, come mostra la superficie marrone nella figura a sinistra. Con una formulazione standard, l'ipotesi di rigidità manterrà costante il raggio, come mostrato nella figura centrale. Nella figura a destra, lo spostamento radiale viene rilasciato nel connettore rigido. È ancora possibile, ad esempio, applicare carichi in qualsiasi direzione o collegarsi ad altri domini.

Miglioramenti nell'analisi delle tubazioni

Per l'analisi delle tubazioni sono disponibili i seguenti aggiornamenti:

• Nell'interfaccia Pipe Mechanics è ora possibile specificare i fattori di correzione per la flessibilità e le sollecitazioni nelle curve dei tubi.
• È possibile inserire uno spessore di parete ridotto per la valutazione delle sollecitazioni. Questo può essere utilizzato per tenere conto di una tolleranza dovuta alla corrosione.
• Nelle part library sono state aggiunte diverse geometrie parametriche per i tubi: tubo dritto, curva, riduttore e giunzione a T. Queste geometrie possono essere utilizzate per la determinazione dei dettagli delle curve. Queste geometrie possono essere utilizzate per analisi dettagliate utilizzando elementi solidi o shell. Tali modelli 3D possono essere collegati direttamente all'interfaccia Pipe Mechanics utilizzando un accoppiamento esistente.

Sollecitazioni e deformazioni nella curva di un tubo sottoposta a flessione, modellata con le interfacce Solid Mechanics e Pipe Mechanics. La geometria solida è ottenuta dalle part library.

Risultati in sistemi di coordinate locali

Ora è più semplice definire un numero arbitrario di sistemi di coordinate locali aggiungendo i nodi Local System Results per la valutazione delle quantità comuni nelle interfacce di Structural Mechanics. Tra le quantità trasformate disponibili, si trovano sollecitazioni, deformazioni, spostamenti e proprietà dei materiali.

Deformazione diretta in direzione globale x e in direzione azimutale per una geometria a simmetria cilindrica.

Spostamento limitato nell'interfaccia Truss

Nell'interfaccia Truss, così come nella nuova interfaccia Wire, è possibile limitare lo spostamento a un determinato valore per un punto o un'intera linea. La condizione al contorno Limited Displacement può essere utilizzata per modellare l'avvicinamento a una parete o a un punto di appoggio.

Forze assiali in una capriata con carichi crescenti. Lo spostamento verticale è limitato a due punti, come indicato dai cerchi neri. La deformazione è ingrandita di un fattore 100.

Sezioni trasversali standard per elementi Truss

Nell'interfaccia Truss, il nodo Cross-Section Data è stato integrato con un'opzione che consente di definire la sezione trasversale dell'elemento in base alle proprietà geometriche. Le sezioni trasversali disponibili sono: Rectangle, Box, Circular, Pipe, H-profile, U-profile, T-profile, C-profile e Hat. Questa funzione è visibile nel nuovo tutorial Truss Tower Buckling e nei seguenti modelli già presenti:

• inplane_and_space_truss
• truss_tower_buckling

Modello di buckling di una torre a traliccio utilizzando una delle sezioni trasversali standard.

Condizione al contorno di frattura per onde elastiche

La nuova condizione al contorno Fracture, disponibile nell'interfaccia fisica Elastic Waves, Time Explicit, è utilizzata per trattare due domini elastici con legame imperfetto. La frattura può essere un sottile strato elastico, uno strato pieno di fluidi o una discontinuità nei materiali elastici (un contorno interno). Esistono diverse opzioni per specificare le proprietà del dominio elastico sottile. Le applicazioni tipiche sono la modellazione di applicazioni di test non distruttivi (NDT), come l'ispezione della risposta di regioni di delaminazione o altri difetti, o la modellazione della propagazione delle onde in mezzi solidi fratturati nell'industria petrolifera e del gas.

Grafici predefiniti

La funzionalità generale per i grafici predefiniti ha portato ampi aggiornamenti alle interfacce di Structural Mechanics. Un grafico predefinito è simile a un grafico di default, ma con l'importante differenza che non viene inserito nel Model Builder finché l'utente non lo sceglie. Si tratta di un vantaggio perché il numero di grafici predefiniti generati per ogni studio risulta notevolmente ridotto.

Inoltre, gli utenti noteranno altri due miglioramenti:

• Oltre ai grafici predefiniti delle versioni precedenti, dal menu Add Predefined Plot sono ora disponibili diversi nuovi grafici utili.
• I grafici dei risultati per le fasi intermedie dello studio, ad esempio la fase di carico in un'analisi dinamica precompressa, sono direttamente disponibili.

La finestra Add Predefined Plot nel modello Tube Connection.

Diagrammi della forza di taglio e del momento flettente per le travi

Un modo comune di rappresentare la distribuzione dei momenti flettenti e delle forze di taglio nelle strutture a travi è rappresentato dai diagrammi delle forze di taglio e dei momenti flettenti, disegnati sopra la geometria. Nell'interfaccia Beam è stata aggiunta la possibilità di disegnare tali diagrammi. Anche per i carichi distribuiti, i grafici sono indipendenti dalla mesh, cioè includono l'effetto della variazione del carico sull'elemento. I diagrammi delle forze di sezione possono essere utilizzati anche nelle analisi dinamiche, dove il carico è costituito in parte da forze inerziali.

Diagrammi delle forze nelle sezioni: i carichi applicati e la mesh (un totale di 10 elementi di trave) (in alto), il diagramma del momento (in basso a sinistra) e il diagramma della forza di taglio (in basso a destra). Si noti che il carico distribuito è applicato solo a una parte dell'elemento più in alto.

Nuove parti per l'omogeneizzazione delle microstrutture

Nelle part library, al ramo COMSOL Multiphysics è stata aggiunta una nuova cartella denominata Representative Volume Elements. Essa contiene una serie di geometrie parametrizzate per microstrutture comuni, come fibre, pori e compositi particellari. Queste geometrie possono essere utilizzate per calcolare le proprietà effettive dei materiali con il metodo degli elementi di volume rappresentativo (RVE). I nuovi modelli Homogenized Material Properties of Periodic Microstructures e Micromechanical Model of a Particulate Composite illustrano questa novità.

Esempi di alcune geometrie parametrizzate della Part Library.

Nuovi tutorial

La versione 6.1 di COMSOL Multiphysics^® introduce diversi nuovi tutorial nello Structural Mechanics Module.

Nonlinear Harmonic Response

In questo esempio si studia l'eccitazione armonica di una struttura leggermente non lineare. La soluzione lineare (verde) viene utilizzata come condizione iniziale per accelerare la soluzione del modello non lineare completo (blu).

Titolo in Application Library:
nonlinear_harmonic
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Bracket — Reduced-Order Modeling

Un modello di staffa di ordine ridotto (a sinistra) e un modello completo (a destra) sono utilizzati per mostrare un confronto tra le sollecitazioni calcolate durante le analisi transitorie.

Titolo in Application Library:
bracket_rom
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Self-Contact of a Loaded Spring

Forma deformata di una molla: sottoposta a un carico di flessione, diverse spire sono state costrette a entrare in contatto tra loro.

Titolo in Application Library:
loaded_spring_contact
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Torsion of an Isotropic Cosserat Elastic Cylinder

Microrotazione in un cilindro ritorto per tre diversi valori del parametro della scala di lunghezza interna.

Titolo in Application Library:
cosserat_torsion
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Micromechanical Model of a Particulate Composite

Viene modellata una cella periodica con un'inclusione sferica rigida in una matrice più morbida. Viene mostrata la sollecitazione nella matrice quando la cella è sottoposta a uno dei casi di carico di base.

Titolo in Application Library:
micromechanical_model_of_a_particulate_composite
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Linear Buckling Analysis of a Truss Tower With Dead Loads

I primi due modi di instabilità di una torre a traliccio strallato in presenza di carichi fissi.

Titolo in Application Library:
truss_tower_buckling_guys
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