comsol结构力学-应力应变仿真

本文详细介绍COMSOL软件中结构力学仿真的步骤与技巧,涵盖几何绘制、材料选择、物理场设置、网格划分、边界条件施加及后处理分析。深入探讨不同网格类型的应用场景,以及如何精确获取应力、应变等关键参数。

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      今天聊聊comsol结构力学仿真部分,主要是后处理部分。

    前面的几何、材料都比较简单,按照自己的需求绘制对应的图,选择相应的材料即可。物理场部分主要是施加约束条件,包括固定约束、边界载荷、指定位移等,在这些约束可以是域约束、表面边界约束、边约束、点约束,可以从图标上看出来:

为域约束,为表面边界约束,为边约束,为点约束,可按照自己的需求选择对应的约束条件。

      设置好边界条件之后,进行网格划分,网格划分有N多种方式,比较常用的是以下几种:默认的是普通的三角形网格划分,其单元大小可以是标准、细化、粗化等9种类型;其次是可定制尺寸的划分,可根据个人需求确定单元大小、单元增长率,曲率因子、分辨率等;第三种是非结构化网格,长方形的四边形网络划分;第四种比较常用的映射和扫掠,在二维图形或者三维图形的某一面,可以用映射网络,生成的是规则的、没有断点的连续网络,在三维图形中,可以用扫掠网络,相当于把某一面的网络复制到其他各层;还有边界层网络,是用来研究几何体的深度,比如趋肤效应等。

      接下来就是研究,应力应变的仿真主要用的是稳态研究,选择默认求解器即可,默认情况下点击计算之后会生成应力分布图,然后就可以开始做一些后处理。

1.点击结果→应力→表面,在表达式一栏,可以选择自己想看的其他参数,在本仿真中,一般会看总位移图、各个方向位移图;应变、各个方向应变张量;应力,第一二三主应力等,这些图都是从宏观角度,通过对应图例的颜色分布来大致判断相应的位移值、应力值、应变值,如果想知道确切的值,则需要下面详细的操作。当然,如果几何结构体比较复杂,想要看其中某些部分的应力应变分布图,可以通过将其余部分的几何图形隐藏来实现。

2.如果想要绘制边界线或者边界点上的应力应变曲线,在结果栏选择一维绘图组,点击右键,选择点图或线图,然后在几何图形中选择自己想要看的点或者线,y轴数据选择自己想看的应力、应变、位移等,即可绘制出对应的曲线图;想要绘制某个表面的结构力学图,也同样的道理,选择二维绘图组,选择表面或等值线等。有一点还需要注意的是,在同一个绘图组下,默认所有的点图或线图或者面图将会在同一个坐标里表示,如果想用不同的坐标下绘制图,则需要新建绘图组。以上……但是,如果想要研究的点、线、面不在边界上,无法在几何体中直接选中,那么则需要用第三点的操作。

3.如果绘制不在边界上的点、线、面的曲线,则需要在结果→数据集中做一些操作,数据集中有截点、截线、截面等的选项,如果想要研究某个点、线、面,就在对应的三维截点、截线、截面中输入待研究的点,然后再继续进行应力、应变等操作时,其数据就可以选择自己所创建的数据集,然后分析对应的部分。当然目前的三维截面只能是平行于坐标轴的面,斜截面目前不太清楚怎么产生,不过就目前的研究而言,差不多够用了。

4.以上操作都是产生了对应的曲线、云图等,如果想要准确的值,则需要用结果→派生值的操作,如,想要知道某一点各个方向的应变张量,右键单击派生值,选择点运算,数据集选择对应点比如三维截点1,表达式选择应变张量XX分量,以及其他应变张量等,点击计算就可以在表格中显示对应的值,这些数据也可以导出。同样的道理,如果我想要用某个面、某个体的应变均值来表征待测物在应变片覆盖处的应变值,也可以右键派生值,选择体平均值或面平均值,数据集选择该面、该体,表达式选择应变,即可计算出对应的值在表格中。

暂时就这些吧,有时间再继续更……

### Comsol 中固体力学与电磁场的联合仿真方法 在Comsol中实现固体力学与电磁场的联合仿真是一个多物理场耦合问题,涉及多个模块之间的交互。为了成功完成这种类型的仿真,需遵循特定的方法论。 #### 设置多物理场接口 当处理包含机械变形和电磁效应的问题时,选择适当的多物理场接口至关重要。通常情况下,在Comsol中可以选用“固体传热与电流”或“磁致伸缩”等预定义接口来简化设置过程[^1]。这些接口自动考虑了不同物理现象间的相互影响,从而减少了手动配置的工作量并提高了准确性。 #### 定义几何结构与材料属性 创建精确反映实际系统的几何模型是至关重要的一步。对于涉及到复杂形状的设计,可能需要利用CAD工具导入外部文件或将基本图形组合起来形成所需的外形轮廓。之后,指定各个组件所使用的材料特性,特别是那些能够描述电导率、相对介电常数以及杨氏模量等关键参数的数据[^2]。 #### 应用电磁源项及边界条件 根据具体应用场景的不同,可以通过多种方式引入电磁激励源。一种常见做法是在线圈周围施加时间谐波形式的电压信号;另一种则是采用解析表达式直接定义空间内的磁场强度分布。此外,还需注意合理选取边界条件以模拟开放环境中的辐射效果或其他必要的约束关系[^3]。 #### 实现双向耦合作用 为了让两个领域之间存在有效的反馈机制,即一方的变化会影响另一方的状态变化,则必须激活相应的耦合选项。例如,在研究永磁电机转矩波动时,就应当允许位移矢量参与到洛伦兹力计算当中,反之亦然——由涡流引起的焦耳加热也会改变局部温度进而影响到弹性系数[^4]。 ```matlab % MATLAB代码片段用于展示如何调用COMSOL API执行仿真任务 model = mphload('example_model'); % 加载已有项目实例 mphselect(model,'geom','all'); % 选择整个工作区作为操作对象 setparam(model,... % 修改某些全局变量值 'Electrostatics.Voltage',... '-sin(pi*t)'); mphsolve(model); % 运行求解器直至收敛为止 ```
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