COMSOL中的动网格

本文介绍了COMSOL中的动网格技术,包括网格重划分、morph和网格滑移的概念,并详细阐述了动网格中的三个域条件(指定变形、固定网格、自由变形)和五个边界条件(速度和位移边界)。通过示例说明了如何设定动网格,以及不勾选remesh可能带来的问题和解决方案。

首先我们先了解几个概念

(1)网格重划分(remesh):就是在某些特定的区域进行网格的重新划分,在Maxwell软件中的直线运动区域,当运动物体运动后,这个区域进行重新划分。

(2)morph:网格不重新划分,小范围的进行网格变形,针对运动物体运动位移较小,对变形区域不进行重划分,能够提高效率。

(3)网格滑移(sliding):针对圆形运动区域,运动与非运动区域进行网格滑移,当然边界上两侧网格不共节点,该方法不需要网格重新划分,大部分软件针对圆形运动区域采用该方法,比如maxwell的band,band边界就是该方法。


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本次主要整理comsol直线运动方法设定,以及一些原理性的概念。

在动网格中一共包含三个域条件和五个边界条件。

三个域条件分别是:指定变形(用于指定区域整体移动不发生变形,即刚体运动),固定网格(即网格固定不动,即不变形也不移动),自由变形(既可以变形,也可以移动需要与边界条件配合使用)。

五个边界条件又可以分为两种,分别是:速度边界条件(用于指定边界移动速度),和位移边界条件(用于指定边界的位移)。

比如参考comsol回答的问题进行简单的验证:

首先

COMSOL中进行固体动网格耦合,可按以下步骤及利用相关技术: ### 模型建立与物理场添加 首先需要建立几何模型,根据实际问题构建固体结构的几何形状。然后添加固体力学物理场和动网格物理场。在添加物理场时,要确保选择合适的分析类型,例如对于固体力学,可根据情况选择线性弹性、非线性弹性等分析类型;对于动网格,可根据网格变形的特点选择任意拉格朗日 - 欧拉(ALE)等方法。 ### 材料属性设置 为固体材料定义合适的材料属性,如弹性模量、泊松比、密度等。这些属性对于准确模拟固体的力学行为至关重要。在动网格方面,虽然不需要为网格赋予传统意义上的材料属性,但要设置网格的变形相关参数,例如设置网格的平滑方法(如拉普拉斯平滑)和边界条件等。 ### 边界条件与载荷施加 在固体力学物理场中,需要为固体结构施加合适的边界条件和载荷。边界条件可以包括固定边界、铰接边界等;载荷可以是集中力、分布力等。在动网格物理场中,要定义网格的边界变形条件。例如,指定某些边界随着固体的运动而移动,或者设置特定的变形函数来控制网格的变形。 ### 耦合设置 实现固体动网格的耦合,关键在于建立固体运动与网格变形之间的关联。通常可以通过设置动网格的边界条件与固体力学的位移结果相关联。例如,将动网格的边界位移设置为固体结构相应边界的位移。在COMSOL中,可以通过选择相关的变量和表达式来实现这种关联。 ### 网格划分 对几何模型进行网格划分,要确保网格质量良好,能够准确捕捉固体的力学行为和网格的变形。对于固体部分,可以根据结构的特点选择合适的网格类型(如四面体、六面体等)和网格密度。对于动网格部分,要考虑网格变形的程度,避免在变形过程中出现网格质量严重下降的情况。 ### 求解设置 选择合适的求解器和求解参数。对于固体动网格耦合问题,通常需要使用瞬态求解器来模拟固体的动态响应和网格的随时间变形。设置合适的时间步长和求解精度,以确保求解结果的准确性和稳定性。 ### 后处理与结果分析 求解完成后,对结果进行后处理和分析。可以查看固体结构的应力、应变分布,网格的变形情况等。COMSOL提供了丰富的后处理工具,如可视化工具(如绘制应力云图、位移矢量图等)和数据提取工具(如提取特定位置的应力、位移值等)。 以下是一个简单的伪代码示例,展示在COMSOL中实现固体动网格耦合的大致思路(实际在COMSOL中通过图形界面操作实现): ```python # 假设已经完成几何模型建立和物理场添加 # 设置固体材料属性 solid_material = model.materials.create("SolidMaterial") solid_material.properties['YoungsModulus'] = 2e11 # 弹性模量 solid_material.properties['PoissonRatio'] = 0.3 # 泊松比 solid_material.properties['Density'] = 7800 # 密度 # 设置动网格相关参数 ale = model.physics('ale') ale.smoothing = 'Laplacian' # 设置拉普拉斯平滑方法 # 施加固体力学边界条件和载荷 solid_mech = model.physics('solid') fixed_boundary = solid_mech.boundaries.create('Fixed') fixed_boundary.selection = [1] # 假设固定边界为边界1 force_boundary = solid_mech.boundaries.create('Force') force_boundary.selection = [2] # 假设施加力的边界为边界2 force_boundary.force = [0, 100, 0] # 施加y方向100N的力 # 设置动网格边界条件与固体位移关联 ale_boundary = ale.boundaries.create('PrescribedDisplacement') ale_boundary.selection = [2] # 动网格边界与固体施加力的边界对应 ale_boundary.displacement = solid_mech.variables['u'] # 关联固体的位移 # 进行网格划分 mesh = model.meshing() mesh.create('tetrahedral') # 四面体网格 mesh.size = 'fine' # 设置求解器 solver = model.solver('transient') solver.time = [0, 0.1, 0.2, ..., 1] # 时间步长设置 # 求解模型 model.solve() # 后处理 result = model.results() stress_plot = result.create('StressPlot') stress_plot.variable = solid_mech.variables['sigma'] # 应力变量 stress_plot.plot() ```
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