Nouveautés du module Structural Mechanics

Pour les utilisateurs du module Structural Mechanics, la version 6.1 de COMSOL Multiphysics® apporte des améliorations à la modélisation du contact, la possibilité d'ajouter des matériaux linéaires et non linéaires sur des frontières ainsi qu'une nouvelle fonctionnalité qui permet de tester et vérifier numériquement une loi de comportement matériau pour un ensemble donné de propriétés matériau. Découvrez ci-dessous toutes les nouveautés du module Structural Mechanics.

Améliorations de la modélisation en contact

Plusieurs ajouts et améliorations ont été apportés à la fonctionnalité de modélisation des contacts, incluant:

  • Un nouvel algorithme de recherche de contact, plus rapide, a été mis en oeuvre. Il est particulièrement avantageux pour les modèles 3D de grande taille.
  • La méthode de Nitsche, une nouvelle méthode pour formuler les équations de contact, a été ajoutée. Il s'agit d'une méthode robuste qui n'ajoute pas de degrés de liberté supplémentaires.
  • De nouvelles formulations plus stables des équations de contact ont été ajoutées pour tous les modèles de contact.
  • Les formulations ont été améliorées pour les coques et les membranes, où la surface réelle des géométries courbes est utilisée.
  • La prise en charge de l'autocontact a été améliorée. La formulation est désormais symétrique entre les deux côtés de la paire de contacts.

Animation d'un tuyau élastoplastique forcé à rentrer dans un trou conique. L'auto-contact se produit à plusieurs endroits.

Interface de mécanique du solide en 1D

L'interface Mécanique du solide est désormais disponible pour les composants 1D et 1D axisymétriques et ne nécessite aucun produit supplémentaire pour utiliser les fonctionnalités de base. Dans les directions transversales, différentes combinaisons de contraintes planes, de déformations planes et de déformations planes généralisées peuvent être sélectionnées. Il existe plusieurs applications multiphysiques, par exemple dans le domaine de la modélisation des batteries, l'acoustique et l'interaction thermique-structure, où un modèle 1D peut être utile pour fournir des informations importantes sur un phénomène physique. Notez que la fonctionnalité pour les contraintes d'insertion dans les batteries est incluse dans le module Battery Design. Pour une modélisation plus avancée, des fonctionnalités supplémentaires sont disponibles avec le module Structural Mechanics, le module MEMS, le module Multibody Dynamics ou le module Acoustics.

Un problème couplé thermique-structure avec contact en 1D axisymétrique. Notez que la représentation sous-jacente ici consiste simplement en des éléments 1D le long d'une ligne, alors que les résultats sont étendus à une géométrie circulaire pour une meilleure visualisation.

Essai numérique des lois de comportement

Pour les lois de comportement complexes, en particulier celles qui sont définies par l'utilisateur, il est important d'étudier leur comportement lors de diverses conditions de chargement. La nouvelle fonctionnalité Essai mécanique de l'interface Mécanique du solide permet de configurer automatiquement un modèle à un élément avec des conditions aux limites appropriées et des étapes d'étude pour plusieurs conditions de chargement différentes. Le chargement peut être quasi-statique ou dynamique, monotone ou cyclique. Cette nouvelle fonctionnalité est à découvrir dans les modèles mis à jour de Compression isotrope avec une loi de comportement Cam-Clay modifiée et de Fluage primaire sous chargement non-constant.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Essai mécanique en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et quatre fenêtres graphiques.
Courbes contraintes-déformations pour quatre essais fondamentaux différents d'une loi de comportement.

Matériaux sur les frontières de solides

Une large gamme de lois de comportement linéaires et non-linéaires est maintenant disponible pour être utilisée sur des frontières internes ou externes. Cela peut être utilisé pour modéliser des couches de colle, des joints ou des revêtements, par exemple. Ces couches peuvent faire appel à différentes hypothèses, allant d'un modèle 3D complet à des déformations uniquement dans le plan. Avec le module Composite Materials, les matériaux sur frontières peuvent même être multicouches. Le modèle existant Circuit chauffant illustre ce nouvel ajout.

Un modèle de bride de tube montrant la contrainte visualisée avec la palette de couleurs Spectrum.
Contraintes dans un joint entre deux brides de tubes.

Interface physique pour les câbles

Une nouvelle interface Câble a été ajoutée pour l'analyse des systèmes de câbles ou de fils, qui peuvent être réalisés séparément ou en conjonction avec d'autres types de structures. Les câbles peuvent être précontraints ou fléchir sous leur propre poids. Vous pouvez découvrir cette nouvelle fonctionnalité dans le nouveau tutoriel d'Etude de flambage linéaire d'une tour en treillis avec des chargements exclus de l'analyse et les modèles existants suivants:

Forces dans un réseau de câbles soumis à la gravité lorsque les points d'appui sont déplacés vers l'intérieur. Une partie du réseau s'immobilise sur une surface rigide.

Interfaces multiphysiques pour l'amortissement par film mince

Deux nouvelles interfaces multiphysiques pour l'amortissement par film mince ont été ajoutées: Amortissement par film mince, solide et Amortissement par film mince, coque. Elles combinent une interface d'Ecoulement en film mince avec Mécanique du solide ou Coque, respectivement. Il existe également deux nouveaux couplages multiphysiques qui facilitent l'amortissement par film mince: Interaction structure - écoulement en film mince et Interaction coque - écoulement en film mince. Ces couplages ne se limitent pas à l'amortissement par film mince; vous pouvez également les utiliser pour modéliser la lubrification et la cavitation, par exemple.

L'interface graphqiue de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Interaction structure - écoulement en film mince en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle d'accéléromètre dans la fenêtre graphique.
Amortissement par film de gaz comprimé dans un accéléromètre. Le graphique en couleur montre la pression du gaz sur deux surfaces du domaine solide.

Analyse de flambage avec chargements exclus

Lors de la recherche d'un chargement critique de flambage, il existe certaines situations où il y a plus d'un système de chargements et où l'un d'entre eux peut être considéré comme fixe. Par exemple, une force de gravité peut être considérée comme fixe (un chargement exclu), alors qu'une chargement de service peut être considéré comme non fixe (un chargement inclus). Même si l'on souhaite seulement calculer le niveau critique d'un chargement de service, le chargement exclu influencera toujours le risque de flambage. Ce type d'analyse est maintenant intégré et est illustré par le nouveau modèle Etude de flambage linéaire d'une tour en treillis avec des chargements exclus de l'analyse.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Flambage linéaire en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle de tour en treillis dans la fenêtre graphique.
Les paramètres du solveur pour une analyse de flambage linéaire permettent désormais de traiter une combinaison de chargements inclus et exclus de l'analyse. Dans l'exemple, la précontrainte dans les haubans et le propre poids de la tour sont considérés comme des chargements exclus tandis qu'une force au sommet est considérée comme un chargement inclus.

Usure des coques et membranes

De manière identique à la fonctionnalité déjà disponible dans l'interface Mécanique du solide, le sous-noeud Usure a été ajouté aux interfaces Coque et Membrane. Cette fonctionnalité permet de calculer l'usure qui réduit l'épaisseur des coques et des membranes en raison du glissement avec frottement. La même technologie permet d'ajouter des expressions définies par l'utilisateur pour le taux de changement d'épaisseur. Ceci peut être utilisé pour modéliser, par exemple, la corrosion ou l'électrodéposition.

Usure de la surface d'une coque due au glissement avec frottement d'un objet solide cylindrique. La visualisation est réalisée en utilisant un jeu de données Coque, donnant l'impression que les deux pièces sont des solides en 3D.

Nouvelle méthode de connexion des assemblages

La méthode de Nitsche a été ajoutée pour imposer la continuité entre les frontières dans les assemblages. Elle présente deux avantages importants par rapport aux contraintes classiques:

  • Elle provoque beaucoup moins de perturbations locales dans la solution lorsque les maillages des deux côtés ne sont pas conformes.
  • Comme aucune contrainte n'est ajoutée, l'élimination des contraintes est évitée, ce qui est numériquement sensible et parfois intense en ressources de calcul.

Deux objets rectangulaires avec des flèches rouges et la contrainte visualisée avec la palette de couleurs Wave Light.
Comparaison de la perturbation locale des contraintes lors de l'utilisation d'une contrainte classique ou de la nouvelle méthode de Nitsche pour connecter des maillages non conformes.

Améliorations en sous-structuration dynamique

Il est désormais possible d'utiliser des éléments coque dans les analyses de sous-structuration dynamique (CMS). Il y a également plusieurs améliorations générales qui facilitent la mise en place de modèles d'analyses CMS.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de Modèles avec le noeud Composants flexibles réduits en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle de machine à laver dans la fenêtre graphique.
Une étude de la dynamique d'une machine à laver. Le temps d'analyse est réduit d'un facteur 2 lorsque la coque représentant l'enceinte est réduite à un composant CMS.

Excitation de la base

Il est courant que le chargement dynamique d'une structure consiste en une certaine accélération de tous ses points d'appui. C'est le cas, par exemple, lorsqu'une pièce est fixée à une table vibrante pour être testée ou lorsqu'un bâtiment est soumis à une accélération au niveau du sol de longueur d'onde élevée. Ce type de chargement peut désormais être décrit plus naturellement à l'aide de la nouvelle fonctionnalité Excitation de la base. Elle est bien adaptée à l'analyse de vibrations aléatoires. Cette nouveauté est utilisée dans les modèles existants Réponse aux chocs d'une carte mère et Test de vibration aléatoire d'une carte mère.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Excitation de la base en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle de carte mère dans la fenêtre graphique.
Un exemple d'utilisation de la fonctionnalité Excitation de la base, où trois densités spectrales de puissance (DSP) d'entrée sont utilisées dans une analyse de vibration aléatoire. L'excitation de la base est une propriété de l'ensemble du modèle, cette fonctionnalité ne comporte donc pas de sélection.

Chargements indiqués par une résultante

Pour les chargements sur frontière et les ensembles de chargements ponctuels, vous pouvez désormais spécifier la force et le moment totaux par rapport à un point donné en sélectionnant l'option Résultante dans la liste Type de chargement. Cela facilite l'application des résultantes de chargements sans avoir à imposer des contraintes artificielles ou à effectuer de longs calculs des distributions de chargement réelles. Il est possible de contrôler la forme supposée de la distribution du chargement.

Un chargement en flexion donné comme une résultante de moment est appliqué à l'extrémité d'une poutre, modélisée comme un solide 3D. La distribution réelle du chargement est représentée par des flèches.

Evaluation de soudures

Pour les structures soudées, être capable de prédire les contraintes dans les soudures est un aspect important de la conception. Dans l'interface Coque, il est maintenant possible d'évaluer les contraintes le long des arêtes soudées. La méthode est semi-analytique dans le sens où la soudure n'est pas modélisée dans la géométrie, mais elle est représentée par ses propriétés. Les soudures d'angle unilatérales et bilatérales ainsi que les soudures bout-à-bout peuvent être évaluées.

Un ensemble de soudures avec des lignes vertes et des flèches rouges.
Indice de rupture pour un ensemble de soudures.

Nouvelles options pour les matériaux anisotropes

Pour la fonctionnalité Matériau élastique linéaire, plusieurs nouvelles options de saisie des constantes élastiques ont été ajoutées:

  • Les matériaux orthotropes peuvent maintenant être décrits par des données cristallines pour sept types de systèmes cristallins différents: cubique, hexagonal, trigonal à six constantes, trigonal à sept constantes, tétragonal à six constantes, tétragonal à sept constantes et orthorhombique.
  • Il existe une option pour les matériaux transversalement isotropes, ce qui réduit le nombre de paramètres d'entrée pour cette classe de matériaux.
  • Un matériau anisotrope peut maintenant, en plus de la matrice d'élasticité, être représenté par sa matrice de compliance.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Matériau élastique linéaire en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un objet 3D dans la fenêtre graphique.
L'interface graphique pour la saisie des données d'élasticité à l'aide d'un système cristallin.

Améliorations des Connecteurs rigides

Le Connecteur rigide est un outil important pour la modélisation abstraite, par exemple pour appliquer des chargements et connecter des objets. Ses fonctionnalités ont été améliorées à trois égards :

Il est désormais possible de déconnecter certains degrés de liberté, par exemple dans des directions données par un système de coordonnées local. Grâce à cette option, il est possible de libérer des contraintes excessives et de réduire les concentrations de contraintes locales. Pour les connecteurs rigides à deux points en 3D, il est possible de supprimer automatiquement la singularité potentielle de rotation. Comme nouveau réglage par défaut, les degrés de liberté qui sont générés par les connecteurs rigides sont maintenant regroupés dans la séquence d'étude. Cela réduit de façon importante le nombre de noeuds dans l'arborescence du modèle et facilite également l'application d'une mise à l'échelle manuelle pour la tolérance de convergence. Le même changement s'applique également à la fonction de Connexion.

Trois modèles de connecteurs rigides dont l'un a des flèches rouges et deux sont visualisé avec la palette de couleurs Prism.
Effets des degrés de liberté libérés. Le réducteur à pression interne possède un connecteur rigide à son extrémité, comme le montre la surface marron de la figure la plus à gauche. Comme le montre la figure du milieu, avec une formulation standard, l'hypothèse de rigidité maintient le rayon constant. Dans la figure la plus à droite, le déplacement radial est libéré par le connecteur rigide. Il est toujours possible d'appliquer des chargements dans n'importe quelle direction ou de se connecter à d'autres domaines.

Améliorations de l'analyse de conduites

Pour l'analyse mécanique de conduites, les nouveautés suivantes sont disponibles:

  • Dans l'interface Mécanique des conduites, il est désormais possible de spécifier des facteurs de correction pour la flexibilité et les contraintes dans les coudes des conduites.
  • Il est possible de saisir une épaisseur de paroi réduite pour l'évaluation des contraintes. Cela peut être utilisé pour tenir compte d'une tolérance de corrosion.
  • Dans les bibliothèques de pièces géométriques, un certain nombre de géométries paramétrées de conduites ont été ajoutées: conduite droite, coude, reducteur et jonction en T. Ces géométries peuvent être utilisées pour une analyse détaillée à l'aide d'éléments solides ou coques. Ces modèles 3D peuvent être directement connectés à l'interface Mécanique des conduites en utilisant un couplage existant.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Pièce en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et deux fenêtres graphiques.
Contraintes et déformations dans une conduite coudée soumise à une flexion, modélisée avec les interfaces Mécanique du solide et Mécanique des conduites. La géométrie solide provient de la bibliothèque de pièces.

Résultats dans les systèmes de coordonnées locales

Il est maintenant facile de définir un nombre arbitraire de systèmes de coordonnées locales en ajoutant des noeuds Résultats du système local pour l'évaluation des quantités communes de résultats. Parmi les quantités transformées, vous trouverez les contraintes, les déformations, les déplacements et les propriétés matériaux.

Deux modèles cylindriques montrant une déformation normale visualisée avec la palette de couleurs Prism.
Déformation normale dans la direction globale x et la direction azimutale pour une géométrie à symétrie cylindrique.

Déplacement limité dans l'interface Treillis

Dans l'interface Treillis, ainsi que dans la nouvelle interface Câble, il est possible de limiter le déplacement à une certaine valeur pour un point ou une ligne entière. La condition limite Déplacement limité peut être utilisée pour modéliser l'approche d'un mur ou d'un point d'appui.

Forces axiales dans une structure en treillis soumise à des chargements croissants. Le déplacement vertical est limité en deux points, comme indiqué par les cercles noirs. La déformation est amplifiée d'un facteur 100.

Sections transversales standard pour éléments treillis

Dans l'interface Treillis, le noeud Données de la section a été complété par une option permettant de définir la section transversale de l'élément par des propriétés géométriques. Les sections transversales disponibles sont: Rectangle, Boîte, Circulaire, Conduite, Profil en H, Profil en U, Profil en T, profil en C et Chapeau. Cette fonctionnalité est illustrée par le nouveau tutoriel de Flambage d'une tour en treillis et dans les modèles existants suivants:

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Données de la section en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle de tour en treillis dans la fenêtre graphique.
Modèle de flambage d'une tour en treillis utilisant l'une des sections transversales standard.

Condition limite de Fracture pour les ondes élastiques

La nouvelle condition limite Fracture, disponible dans l'interface physique Ondes élastiques, explicite en temps, est utilisée pour traiter deux domaines élastiques avec une liaison imparfaite. La fracture peut être une couche mince élastique, une couche remplie de fluide ou une discontinuité dans les matériaux élastiques (une frontière interne). Plusieurs options existent pour spécifier les propriétés du domaine mince élastique. Les applications typiques sont la modélisation des applications de contrôle non-destructif (CND), comme l'inspection de la réponse des régions de délamination ou d'autres défauts, ou la modélisation de la propagation des ondes dans les milieux solides fracturés dans l'industrie pétrolière et gazière.

Graphiques prédéfinis

La fonctionnalité générale de graphiques prédéfinis a apporté des nouveautés importantes aux interfaces de Mécanique des structures. Un graphique prédéfini est similaire à un graphique par défaut, mais avec la différence importante qu'il n'est pas ajouté au Constructeur de Modèles avant que l'utilisateur ne le choisisse. Le nombre de graphiques par défaut générés pour chaque étude a donc été notablement réduit.

Les utilisateurs constateront également les deux améliorations suivantes:

  • Plusieurs nouveaux graphiques utiles sont maintenant disponibles à partir du menu Ajouter des graphiques prédéfinis, en plus des graphiques par défaut des versions précédentes.
  • Les graphiques de résultats pour les étapes intermédiaires de l'étude, par exemple l'étape de chargement dans une analyse dynamique précontrainte, sont directement disponibles.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec un noeud Groupe de graphiques 3D en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante, un modèle de raccord de conduite dans la fenêtre graphique et une fenêtre d'ajout de graphiques prédéfinis.
Fenêtre Ajouter les graphiques prédéfinis dans le modèle de raccord de conduite.

Diagrammes de l'effort et du moment de cisaillement pour les poutres

Une façon habituelle de représenter la distribution des moments de flexion et des forces de cisaillement dans les poutres consiste à dessiner des diagrammes de force de cisaillement et de moment de flexion au-dessus de la géométrie. Dans l'interface Poutre, la possibilité de dessiner des diagrammes de moment et d'effort de cisaillement a été ajoutée. Même pour les chargements distribués, les graphiques sont indépendants du maillage, c'est-à-dire que l'effet de la variation du chargement sur l'élément est inclus. Les diagrammes de force de section peuvent également être utilisés dans les analyses dynamiques, où le chargement consiste partiellement en des forces inertielles.

Trois diagrammes de sections de force montrant les chargements appliqués par des flèches.
Diagrammes de sections de force: les chargements appliqués et le maillage (un total de 10 éléments poutre) (en haut), le diagramme des moments (en bas à gauche) et le diagramme de la force de cisaillement (en bas à droite). Notez que le chargement distribué est appliqué à une partie seulement de l'élément le plus haut.

Nouvelles pièces géométriques pour l'homogénéisation de microstructures

Dans les bibliothèques de pièces géométriques, un nouveau répertoire nommé Eléments de volume représentatifs a été ajouté à la section COMSOL Multiphysics. Il contient de nombreuses géométries paramétrées pour des microstructures communes, telles que des fibres, des pores et des composites particulaires. Ces géométries peuvent être utilisées pour calculer les propriétés effectives des matériaux en utilisant, par exemple, la méthode des volumes élémentaires représentatifs (VER). Les nouveaux modèles Propriétés matériaux homogénéisées de microstructures périodiques et Modèle micromécanique d'un composite à particule illustrent ce nouvel ajout.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec un noeud Pièce en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et quatre fenêtres graphiques.
Exemples de quelques géométries paramétrées de la bibliothèque de pièces.

Nouveaux tutoriels

La version 6.1 de COMSOL Multiphysics® apporte plusieurs nouveaux tutoriels au module Structural Mechanics.