Введение и решение задач механики конструкций в COMSOL Multiphysics. Версия 5.6

YOUTUBE · 01.12.2025 09:24

Ключевые темы и таймкоды

Введение и структура семинара

0:01
  • Приветствие участников семинара "Решение задач механики конструкции в COMSOL Multiphysics".
  • Ведущие: Дмитрий Лазарев и Альфия Нигматуллина.
  • Семинар будет записан и доступен для повторного просмотра.
  • Содержание: общие сведения о COMSOL Multiphysics, этапы построения расчетных моделей, обзор инструментов моделирования, примеры мультифизических задач, ответы на вопросы.

Общие сведения о COMSOL Multiphysics

3:53
  • COMSOL Multiphysics - комплексное программное обеспечение для численного моделирования.
  • Интегрированная среда для построения геометрических моделей и визуализации результатов.
  • Решение сложных систем дифференциальных, алгебраических и интегральных уравнений.
  • Возможность решения мультифизических задач и произвольных уравнений, заданных пользователем.

Возможности COMSOL Multiphysics

7:48
  • Решение произвольных уравнений и создание приложений для широкого круга специалистов.
  • Встроенная среда разработки приложений на языке Java.
  • Возможность создания простых приложений без написания кода.

Модульная структура COMSOL Multiphysics

10:43
  • Базовая платформа COMSOL Multiphysics включает основные инструменты численного моделирования.
  • Возможность решать произвольные дифференциальные уравнения и наличие среды разработки приложений.
  • Набор модулей для различных физических процессов: электродинамика, механика, акустика, гидродинамика, теплопередача, химия.

Дополнительные модули и интеграция

13:36
  • Модуль оптимизации, библиотека свойств материалов, трассировка частиц, термодинамика жидкости и газов.
  • Интеграция с другими программными средствами для совместного использования.

Интеграция с CAD и математическими пакетами

16:33
  • Консоль интегрируется с SolidWorks, Inventor, Creo Parametric, Solid Edge.
  • Изменения в одной программе автоматически отражаются в другой.
  • Консоль также интегрируется с MATLAB, Simulink и Excel для управления расчетными моделями.

Вспомогательные продукты и администрирование

18:30
  • Консоль разрабатывает продукты для работы с приложениями: Consol Campy и Consol Server.
  • Эти продукты позволяют создавать автономные исполняемые файлы и управлять вычислительными ресурсами.

Пример задачи и построение геометрической модели

19:27
  • Пример задачи: расчет тепловой деформации медной шины.
  • Построение геометрической модели в Консоле включает инструменты для работы с 3D, 2D и 1D моделями.
  • Консоль позволяет импортировать модели из сторонних программ и дорабатывать их для численного моделирования.

Подготовка импортированных моделей

25:20
  • Консоль содержит инструменты для доработки геометрических моделей для устранения мелких деталей и ошибок.
  • Поддерживается работа с различными форматами файлов, включая AutoCAD, Inventor и SolidWorks.

Пример задачи и настройка модели

28:15
  • Пример задачи: расчет механических деформаций медной шины с титановыми подводами.
  • Для решения задачи требуется решить уравнения сохранения электрического заряда, энергии и перемещения.
  • Консоль позволяет использовать мастер построения модели для выбора базовых настроек и уравнений.

Введение в мультифизические узлы

33:08
  • Электрический ток вызывает нагрев, который приводит к механическим деформациям.
  • Изменение температуры влияет на распределение токов и электропроводность.
  • Уравнения связываются с помощью узлов мультифизики, таких как электромагнитный нагрев и термическое расширение.

Выбор типа исследования

34:07
  • Доступны различные типы исследований: стационарный, нестационарный, расчет собственных частот, моделирование в частотной области и линейная устойчивость.
  • В данном случае рассматривается стационарное распределение температуры, токов и перемещений.

Настройка модели в Conflux

35:04
  • Conflux Desktop позволяет настраивать расчетную модель.
  • В верхней части окна находится панель инструментов, в левой части — дерево модели, в центральной части — окно настроек, а в правой части — графическое окно.

Глобальные параметры

37:00
  • Глобальные параметры задаются в таблице параметров.
  • Параметры могут быть числами с единицами измерения или математическими выражениями.
  • Ввод параметров осуществляется в соответствии с правилами именования переменных.

Построение геометрии

41:52
  • Построение геометрии осуществляется через узел геометрии.
  • Можно использовать различные единицы измерения и выполнять геометрические операции.
  • Пример построения модели шины с использованием рабочей поверхности и логических операций.

Создание подводов

46:47
  • Построение подводов можно выполнить с помощью рабочей поверхности и команды экструзии.
  • Можно использовать команду цилиндр для создания трехмерного объекта.
  • Копирование и смещение объектов помогает упростить построение геометрии.

Задание свойств материалов

49:45
  • Conflux предлагает встроенные библиотеки материалов и возможность загрузки готовых свойств.
  • Свойства материалов можно описать различными способами, включая использование встроенных библиотек и пользовательских данных.

Создание и использование библиотек материалов

50:43
  • Встроенные библиотеки материалов могут не содержать нужных веществ.
  • Можно создавать собственные библиотеки и сохранять их для повторного использования.
  • Библиотеки содержат более 3800 веществ с до 24 свойствами каждое.

Встроенные и пользовательские библиотеки

51:42
  • Встроенные библиотеки входят в состав различных модулей физики.
  • Пользовательские библиотеки позволяют упростить работу с моделью.
  • Библиотеки можно сохранять в виде файлов и обмениваться ими.

Описание свойств материалов

53:38
  • Для описания свойств материалов используется узел "Материалы" в дереве модели.
  • Можно добавлять материалы из встроенных библиотек или указывать их вручную.
  • Свойства материалов могут быть заданы как константы или зависеть от температуры.

Учет зависимости электропроводности от температуры

56:31
  • Для учета зависимости электропроводности от температуры используется интерполяционная функция.
  • Данные можно загрузить из текстового файла или указать вручную.
  • Заменяются фиксированные значения на интерполяционные функции.

Настройка физических интерфейсов

1:00:23
  • Настройка включает выбор и настройку математической модели, граничных и начальных условий.
  • Можно настроить порядок дискретизации и моделируемые физические эффекты.
  • В интерфейсах задаются уравнения, переменные и дискретизация.

Граничные условия и материальная модель

1:04:17
  • В интерфейсах задаются граничные условия и материальная модель.
  • Можно выбрать модель материала из встроенных библиотек или задать свойства вручную.
  • В интерфейсах используются разные варианты граничных условий в зависимости от типа интерфейса.

Настройка граничных условий

1:07:12
  • Значение полевой перемены в начальный момент времени играет роль начального приближения.
  • Для адаптации настроек по умолчанию к задаче нужно переопределить некоторые условия.
  • В интерфейсе ice nix выбираем граничные условия fix constraint для жестко защемленных подводов.

Описание теплообмена

1:09:08
  • В интерфейсе heat transfer задаем теплообмен с окружающей средой.
  • Используем узел ambient properties для задания температуры окружающей среды.
  • Применяем граничное условие heat flux для описания теплообмена с воздухом.

Настройка электрических граничных условий

1:10:07
  • В интерфейсе electrical задаем граничные условия в виде напряжения.
  • Используем условия ground ground и electric potential для задания нулевого и приложенного напряжения.

Мультифизические связи

1:11:06
  • Узел thermal expansion связывает интерфейсы heat transfer и solid metrics.
  • Узел electromagnetic heating связывает интерфейсы electrical и heat transfer.

Построение расчетной сетки

1:13:04
  • Важный этап - дискретизация пространства и уравнений.
  • Концы позволяют строить сетку в автоматическом и ручном режиме.
  • Адаптивная сетка позволяет получить более точное решение.

Автоматическая генерация сетки

1:15:01
  • Узел mesh позволяет строить сетку автоматически на основе настроек физических интерфейсов.
  • Можно изменять характерный размер элемента в сетке.

Ручная настройка сетки

1:16:59
  • В режиме ручной настройки можно строить сетку с помощью команд из контекстного меню.
  • Можно строить треугольную сетку на двумерных поверхностях и трехмерную сетку с помощью команды distribution.

Решение уравнений

1:18:56
  • Для решения уравнений выбирается подходящий решатель.
  • Концы позволяют решать параметрические задачи и задачи с несколькими шагами исследования.
  • Можно варьировать материалы и функции для сравнения результатов.

Примеры решения задач

1:21:46
  • Решаем задачу стационарным методом.
  • Настраиваем параметрическое исследование для нескольких значений напряжения.
  • Моделируем переходный процесс, например, охлаждение шины после отключения тока.

Модуль оптимизации в ConSOL Multiphysics

1:22:46
  • Модуль оптимизации предназначен для решения задач параметрической, геометрической и топологической оптимизации, а также методом наименьших квадратов.
  • Совместим с другими модулями ConSOL и поддерживает расчеты на высокопроизводительных машинах и кластерах.
  • Для использования на кластерах требуется плавающая сетевая лицензия.

Визуализация результатов

1:23:45
  • ConSOL предоставляет множество способов визуализации результатов, включая скалярные и векторные графики, цветовые диаграммы и графики для линий тока.
  • Графики можно комбинировать и сохранять в различных форматах, включая растровые изображения, видео и 3D модели.
  • Возможность экспорта в Microsoft PowerPoint и синхронизации с Powerpoint.

Генерация отчетов

1:27:40
  • ConSOL позволяет генерировать отчеты о проведенных расчетах, включая входные параметры, уравнения, расчетные сетки и графики.
  • Отчеты можно сохранять в форматах Microsoft Word и HTML.
  • Возможность настройки детализации и стилей оформления отчетов.

Решение задач и визуализация результатов

1:28:38
  • Для большинства задач рекомендуется использовать настройки по умолчанию.
  • После завершения расчета ConSOL отображает графики, построенные по умолчанию, включая графики эквивалентных напряжений и температуры.
  • Возможность построения собственных графиков для более детального анализа.

Параметрические исследования

1:35:26
  • Возможность параметрического исследования для изменения параметров, таких как напряжение.
  • Добавление операции "максимум" для нахождения максимального значения переменной в выделенной области.
  • Настройка параметрического исследования и запуск расчета для различных значений параметра.

Анализ результатов параметрического исследования

1:38:24
  • Фиксация диапазона цветовой шкалы и масштабного коэффициента для лучшего анализа изменений.
  • Вывод графиков и таблиц для характерных величин, таких как максимальная температура и деформация.
  • Построение графиков для анализа зависимости максимальной температуры и деформации от напряжения.

Коэффициент линейного расширения и оптимизация

1:40:22
  • Коэффициент линейного расширения зависит от температуры.
  • Связь между деформацией и температурой линейная, но электропроводность и тепловыделение нелинейны.
  • Для демонстрации работы модуля оптимизации, нужно найти напряжение, при котором максимальная деформация равна 0,1 мм.

Решение обратной задачи оптимизации

1:41:19
  • Параметрическое исследование может быть долгим и сложным.
  • Вводится целевая функция, минимизирующая разность между максимальной деформацией и заданной.
  • Используется метод оптимизации для нахождения оптимального значения напряжения.

Настройка и запуск оптимизации

1:43:13
  • Задается начальное значение напряжения и диапазон поиска.
  • Оптимизация находит минимальное значение целевой функции.
  • Результат: напряжение 42,3 мВ, максимальная деформация 0,1 мм.

Введение в среду разработки приложений

1:47:56
  • COMSOL позволяет создавать приложения с удобным графическим интерфейсом.
  • Приложения могут работать на разных платформах Windows, Linux, Mac OS.
  • Два варианта запуска приложений: на COMSOL Server и с помощью COMSOL Compiler.

Преимущества и недостатки COMSOL Server

1:49:51
  • COMSOL Server обеспечивает полный контроль над приложениями.
  • Недостатки: требует мощного сервера и удаленного доступа.
  • Альтернатива: COMSOL Compiler создает автономные приложения, но теряет контроль и не работает на кластерах.

Создание простого приложения

1:52:47
  • Пример создания приложения для расчета максимальной температуры и деформации.
  • Пользователь задает толщину шины, напряжение и температуру воздуха.
  • Приложение выводит данные о максимальной температуре и деформации, а также график напряжения и механических свойств.

Настройка и запуск приложения

1:53:44
  • Переход в режим разработки приложений.
  • Создание форм для ввода данных и вывода результатов.
  • Настройка графического окна для отображения графиков.
  • Запуск приложения и проверка его работы.

Запуск и компиляция приложения

1:58:29
  • Запуск расчета в консоли и отображение графика.
  • Превращение приложения в исполняемый файл и сохранение на рабочий стол.
  • Запуск приложения и демонстрация его работы.

Учебные ресурсы и семинары

2:01:25
  • Обзор учебных ресурсов на сайте: видео, пособия, галереи моделей.
  • Регулярные семинары и курсы, анонсы на сайте.
  • Возможность участия в платных курсах.

Вопросы и ответы

2:10:08
  • Обсуждение геометрического ядра в Comsol Multiphysics.
  • Возможность русификации интерфейса и приложений.
  • Параметрический анализ и его реализация.

Модули и интерфейсы для механики

2:16:51
  • Основные модули для решения задач механики: механика конструкции, нелинейные материалы, биомеханика, композитные материалы, усталость материалов, роторная динамика.
  • Интерфейс Solid Mechanics NX и его использование.
  • Интерфейс Reduced Spatial Dimension для моделирования тонких пластин, оболочек, мембран, балок и ферм.
  • Интерфейс Mechanical System для моделирования сложных систем с подвижными элементами.

Интерфейс ротор дайнэмикс

2:19:46
  • Модуль роторный динамика включает множество мульти физических интерфейсов.
  • Эти интерфейсы позволяют решать задачи механики совместно с уравнениями теплопроводности, фильтрации, электростатики, электромагнитных и гидродинамических полей.
  • Основное внимание уделяется модулю механика конструкции и нелинейным материалам.

Модуль композитные материалы

2:20:44
  • Позволяет анализировать слоистые композитные материалы.
  • Реализованы два подхода: теория многослойных оболочек и теория эквивалентно вошли.
  • Можно использовать с другими модулями физики для моделирования теплопередачи, электромагнетизма и гидродинамики.

Модуль усталость материала

2:21:43
  • Реализованы методы оценки многоцикловой и малоцикловой долговечности.
  • Моделирование термической усталости на основе моделей типа кофе на manson.
  • Расчет накопленных повреждений и предела выносливости.

Модуль роторная динамика

2:22:40
  • Анализ влияния поперечных и крутильных вибраций на вращающееся оборудование.
  • Расчет критических скоростей, собственных частот и порогов устойчивости.
  • Моделирование роторов и подшипников.

Модуль динамика механических систем

2:23:40
  • Моделирование движущихся систем из упругих и абсолютно жестких тел.
  • Анализ переходных процессов и стационарных режимов.
  • Расчет собственных частот и форм колебаний.

Модуль механика конструкции

2:25:36
  • Широкий набор инструментов для расчета напряженно-деформированного состояния твердых тел.
  • Решение контактных задач при различных вариантах нагрузки и мульти физических взаимодействиях.
  • Определение модели материала и задание его свойств.

Задание свойств материалов

2:26:35
  • Использование модели линейного упругого материала по умолчанию.
  • Добавление нелинейных эффектов или переход на нелинейную модель.
  • Задание свойств материала в настройках интерфейса или в узле материал.

Граничные условия

2:33:27
  • Множество вариантов граничных условий для доменов, границ и ребер.
  • Задание приложенных нагрузок и ограничений на перемещение точек.
  • Возможность задания нестандартных ограничений и нагрузок.

Граничные условия в механике

2:35:25
  • Использование готовых граничных условий возможно, но не всегда просто.
  • Основные варианты граничных условий: free, constraint, displacement, roller, rigid connector, periodicity, antisymmetry, rigid motion conjugate.
  • Эти условия позволяют задать ограничения на перемещение и нагрузки.

Специальные условия и интерфейсы

2:38:22
  • Специальные условия: распределение нагрузки, сосредоточенные силы и моменты, начальные напряжения и деформации.
  • Интерфейсы: solid, shell, beam, plate, membrane, truss.
  • Эти интерфейсы позволяют моделировать тонкие конструкции и экономить вычислительные ресурсы.

Комбинирование интерфейсов

2:44:12
  • Возможность комбинировать несколько интерфейсов в одной модели.
  • Использование мультифизических связок для корректного расчета на границе сопряжения.
  • Интерфейс pipe для моделирования трубопроводных систем.

Решатели и анализ

2:47:06
  • Стационарный решатель для статических задач.
  • Решатель для расчета собственных частот и форм колебаний.
  • Нестационарный решатель для переменных нагрузок и линейного анализа устойчивости.

Пример расчета деформации

2:49:01
  • Пример расчета деформации монтажной скобы под действием распределенной нагрузки.
  • Использование альтернативных систем координат и расчет собственных частот.
  • Применение гармонической нагрузки и настройка модели.

Разбиение объекта на части

2:52:53
  • Использование операции портишь inlogic для разбиения объекта на части.
  • Создание отдельных доменов для плоских пластин и искривленных границ.
  • Применение упрощенного алгоритма построения сетки для плоских пластин.

Настройка материала и граничных условий

2:53:50
  • Добавление конструкционной стали из библиотеки материалов.
  • Задание граничных условий закрепления и нагрузки.
  • Использование команды fix для закрепления модели по внутренним поверхностям отверстий.

Задание распределенной нагрузки

2:54:49
  • Добавление граничного условия boundary lot для задания распределенной нагрузки.
  • Настройка системы координат для задания нагрузки, зависящей от угла.
  • Введение вспомогательной системы координат для удобства задания нагрузки.

Проверка и корректировка нагрузки

2:57:44
  • Проверка корректности задания нагрузки с помощью команды guide.
  • Корректировка нагрузки для правильного распределения по поверхности.
  • Проверка правильности задания нагрузки с помощью графиков.

Генерация расчетной сетки

3:03:31
  • Построение расчетной сетки в автоматическом режиме.
  • Использование операции edge для уточнения границ элементов.
  • Применение команды light для ограничения максимального размера элемента.

Расчет и анализ результатов

3:05:27
  • Запуск расчета и получение графиков напряжений и деформаций.
  • Добавление графика перемещений для визуализации деформации.
  • Расчет собственных частот колебаний конструкции.

Гармоническая нагрузка и нелинейные задачи

3:09:20
  • Задание гармонической нагрузки и расчет напряженного состояния.
  • Основные типы исследований в механике: линейные и нелинейные задачи.
  • Причины нелинейности: геометрическая нелинейность, материалы с нелинейными свойствами, контактное взаимодействие.

Нелинейные составляющие и внешние материалы

3:13:12
  • Нелинейные составляющие включаются автоматически при наличии гипер упругих материалов, внешних материалов, больших пластических деформаций или контактных пар.
  • В остальных случаях необходимо учитывать геометрическую нелинейность для точного результата.

Геометрическая нелинейность и модели материалов

3:14:11
  • По умолчанию используется модель линейно упругого материала, но для некоторых задач она не подходит.
  • В CONSOL есть широкий выбор готовых моделей материалов, включая ползучесть, гипер упругость, магнитострикцию и другие.
  • Можно использовать свои уравнения или подключать внешние библиотеки.

Модуль нелинейных материалов

3:16:42
  • Предназначен для решения задач с учетом нелинейных эффектов.
  • Включает модели высокоэластичных материалов, гипер упругих материалов и материалов с эффектом памяти формы.
  • Учитывает ползучесть, вязкопластичность и пластичность материалов.

Модуль геомеханики

3:20:34
  • Аналогичен модулю нелинейных материалов, но предназначен для моделирования грунтов, бетона и горных пород.
  • Включает модели для учета критериев разрушения горных пород и пластичных грунтов.
  • Позволяет моделировать процессы формовки металлов и учитывать контактные взаимодействия.

Пользовательские модели материалов

3:24:29
  • Можно создавать свои модели материалов, используя опции user define.
  • Поддерживает математические интерфейсы для дифференциальных уравнений в частных производных.
  • Позволяет подключать внешние программные библиотеки для сложных материалов.

Источники данных для моделей материалов

3:27:23
  • Модели материалов строятся на основе экспериментов.
  • Экспериментальные данные можно найти в ГОСТах, публикациях и блогах.
  • Важно проводить статистическую обработку и учитывать особенности материалов.

Оптимизация и контактные задачи

3:29:19
  • Оптимизация может помочь найти жесткость конструкции.
  • В консоли можно решать двумерные и трехмерные контактные задачи.
  • Основные алгоритмы: расширенный метод множителей Лагранжа и метод штрафов.

Условия контакта и методы

3:30:18
  • Метод штрафов более точен, но требует больше вычислительных ресурсов.
  • Можно учитывать скольжение, трение и прилипание.
  • Метод штрафов позволяет учитывать расслаивание.

Контактные задачи в консоли

3:31:16
  • Можно решать задачи между деталями с разными физическими интерфейсами.
  • Возможность расчета контакта с любой сеточной поверхностью.
  • Пример: расчет деформации резинового уплотнителя в двери автомобиля.

Настройка модели

3:34:11
  • Выбор размерности задачи и типа исследования.
  • Заполнение дерева модели сверху вниз.
  • Указание параметров и геометрии.

Контактные пары и граничные условия

3:37:09
  • Задание контактных пар и их жесткости.
  • Настройка граничных условий и материала.
  • Выбор гипер упругого материала и его параметров.

Настройка контактов и адгезии

3:42:00
  • Активация метода штрафов для расчета контактов.
  • Учет адгезии и выбор критериев активации.
  • Прописывание жесткости адгезии и других параметров.

Завершение настройки и проверка

3:44:54
  • Прописывание свойств гипер упругого материала.
  • Проверка данных и настройка сетки.
  • Решение задачи в классе статики.

Настройка сетки

3:46:52
  • Использование опции edge для разбиения границ.
  • Применение распределения для создания более подробной сетки на жестких поверхностях.
  • Разбиение остальной части с помощью треугольников и контроль размера элементов.

Параметрическое исследование

3:49:41
  • Выбор стадии extends и активация axillaris vip.
  • Варьирование параметра пара для вертикального перемещения.
  • Добавление узла movie nash и задание перемещения для границы.

Настройка исследования

3:51:39
  • Задание перемещения параметра пара с шагом 0.1 мм.
  • Активация узла include generic для решения контактной задачи.
  • Настройка графиков для отображения результатов во время решения.

Решение задачи

3:53:33
  • Начало решения и отображение графиков.
  • Наблюдение за деформацией гипер упругого материала.
  • Пренебрежение трением и наблюдение за контактом с уплотнителем.

Итоги и завершение

3:55:31
  • Появление зазора между уплотнителем и стеной.
  • Анализ контактных сил и напряжений.
  • Завершение семинара и приглашение к вопросам.
  • Напоминание о возможности задать вопросы по контактам и социальным сетям.
Похожие пересказы
Расчет легких стальных тонкостенных конструкций в программном комплексе APM Civil Engineering
YOUTUBE 01.12.2025
Проектирование сварных каркасных конструкций в SolidWorks
YOUTUBE 30.11.2025
Откатные ворота, обзор конструкций Механол
YOUTUBE 30.11.2025
Обзор масляных фильтров для Газели. Виды, особенности конструкций
YOUTUBE 29.11.2025