Mises à jour du module Structural Mechanics

Pour les utilisateurs du module Structural Mechanics, la version 6.0 de COMSOL Multiphysics® apporte une nouvelle interface multiphysique Magnétomécanique, la sous-structuration dynamique(CMS) et le plissement de membranes. Découvrez les nouveautés du module ci-dessous.

Interface multiphysique magnétomécanique

Deux nouvelles interfaces physiques ont été ajoutées pour l'analyse des effets magnétiques et mécaniques couplés : Magnétomécanique et Magnétomécanique, courants nuls. Elles sont accessibles dans l'arborescence Ajouter une physique, sous la branche Interaction électromagnétisme-structure. Les applications typiques concernent le cas où un champ magnétique induit des déformations dans un solide ou à l'inverse lorsqu'une structure en mouvement modifie le champ magnétique. Cette fonctionnalité est utilisée dans le tutoriel Déformation d'une plaque de fer par une force magnétique. Notez que cette fonctionnalité nécessite le module AC/DC.

Un graphique 2D montrant le champ magnétique dans un modèle de contacteur à courant alternatif dans la palette de couleur Prisme. Champ magnétique dans un contacteur à courant alternatif peu après sa fermeture. Les contours en magenta indiquent la position ouverte d'origine.

Interface multiphysique Ondes piézoélectriques, explicite en temps

Avec l'interface multiphysique Ondes piézoélectriques, explicite en temps, vous avez accès à de nouvelles capacités en modélisation des phénomènes piézoélectriques dans le domaine temporel pour la propagation des ondes. Les effets piézoélectriques direct et inverse peuvent être modélisés et le couplage piézoélectrique peut être formulé en utilisant les formes déformation-charge ou contrainte-charge. La nouvelle interface couple l'interface Ondes élastiques, explicite en temps avec l'interface Electrostatique en utilisant le nouveau couplage multiphysique Effet piézoélectrique, explicite en temps.

L'interface est basée sur la méthode Galerkin discontinu (dG ou dG-FEM) et utilise un solveur explicite en temps. La partie électrostatique du système d'équations est résolue à chaque pas de temps à travers un système algébrique d'équations résolu avec la méthode classique des éléments finis (FEM). Cela permet d'obtenir une méthode hybride très efficace en matière de ressources de calcul, capable de résoudre de très grands modèles comportant plusieurs millions de degrés de liberté (ddl). Cette méthode est bien adaptée au calcul distribué sur des architectures en cluster.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Matériau piézoélectrique en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et deux fenêtres graphiques. Utilisation de l'interface multiphysique Ondes piézoélectriques, explicite en temps dans un modèle de contrôle non destructif (CND) par faisceau incliné.

Caractéristique de calcul du déplacement en post-traitement pour les ondes élastiques, explicite en temps

Une nouvelle fonction de post-traitement appelée Calcul du déplacement a été ajoutée à l'interface physique Ondes élastiques, explicite en temps. Cette fonction permet de calculer de manière optimale le déplacement aux points, le long des bords, sur les frontières ou dans les domaines, en résolvant un ensemble d'ODE auxiliaires. Les nouvelles fonctionnalités sont ajoutées en tant que sous-fonctionnalités à un modèle matériau comme le modèle Ondes élastiques, explicite en temps ou le modèle Matériau piézoélectrique. La fonctionnalité n'affecte pas les résultats mais est uniquement utilisée pour le post-traitement et génère des variables de champ qui peuvent être utilisées pour visualiser et post-traiter les déplacements. Comme cette fonction ajoute et résout des équations supplémentaires, son utilisation nécessite des ressources de calcul supplémentaires.

Nouvelle interface multiphysique pour la poroélasticité en grandes déformations

La nouvelle interface multiphysique Poroelasticité, grande déformation, solide est utilisée pour modéliser la poroélasticité dans le cas de déformations structurelles finies. Avec cette interface, vous pouvez modéliser des situations où il y a des changements significatifs dans la géométrie du solide poroélastique et des modifications induites de la porosité. Notez que cette nouvelle interface nécessite le module Porous Media Flow.

Symétrie axiale avec torsion

Dans l'interface Mécanique des solides, en axisymétrie 2D, il est désormais possible d'inclure les déformations circonférentielles. Ceci peut être activé en cochant la case Inclure le déplacement circonférentiel dans la section Approximation de la symétrie axiale de l'interface physique. Grâce à cette option, il est possible de modéliser, par exemple, la torsion de structures axisymétriques de manière efficace sur le plan du calcul. Vous pouvez voir cette fonctionnalité utilisée dans le nouveau modèle tutoriel Torsion et flexion axisymétriques.

Un modèle d'arbre évidé en 3D montrant la contrainte de von Mises (à gauche) et un modèle axisymétrique 2D gris (à droite). Un arbre évidé soumis à une torsion. Le contour gris indique la géométrie axisymétrique 2D utilisée pour l'analyse. Les résultats sont ensuite représentés en 3D à l'aide d'un jeu de données de révolution.

Amélioration de l'évaluation et de la visualisation des données de la section des poutres

L'interface Section de poutre est maintenant disponible en 3D. Dans la version 3D, vous avez la possibilité d'extruder la section transversale et d'afficher ensuite une représentation 3D complète des contraintes dans une poutre. La version 2D de l'interface a également été mise à jour de manière significative. L'un des principaux changements est que l'interface peut désormais gérer plus d'une section transversale. En outre, il existe de nouveaux couplages multiphysiques, Section de poutres - Couplage de poutre et Poutre-couplage de Section de poutre, pour le transfert de données entre une interface Section de poutre d'un côté et une interface Poutre ou Mécanique en conduites de l'autre.

Deux modèles de poutres montrant les contraintes dans la palette de couleurs Prism. La distribution des contraintes de von Mises dans une poutre IPN, en utilisant la visualisation standard de la poutre (ci-dessus) et avec les mêmes résultats transférés à l'interface Coupe transversale de la poutre (ci-dessous).

Forces ponctuelles à des endroits arbitraires

Avec les nouvelles fonctions Charge ponctuelle, libre et Charge annulaire, libre, des charges ponctuelles peuvent être appliquées à des emplacements arbitraires qui ne coïncident pas avec un point géométrique ou un nœud de maillage. Ceci est particulièrement utile dans les cas suivants:

  • Les maillages importés, où il se peut qu'il n'y ait pas de points appropriés pour l'application de la charge
  • Les charges en mouvement
  • Les modèles comportant de nombreuses charges ponctuelles, auquel cas il peut s'avérer peu pratique de créer des points de géométrie à chaque emplacement des charges

Cette fonctionnalité est disponible dans les interfaces Mécanique des solides, Coque, Plaque, Membrane, Poutre, Trellis et Dynamique multicorps et peut être visualisée dans le modèle tutoriel mis à jour Pont à treillis de Pratt.

Un modèle de bloc solide avec deux chargements ponctuels sur le dessus représentés par des flèches jaunes. Deux chargements ponctuels indépendants du maillage sur le dessus d'un bloc solide.

Amélioration de la visualisation des coques

Lors de l'utilisation du jeu de données Coque, il est maintenant possible de tracer des résultats dans des modèles de coques avec une représentation solide complète. La distribution à travers l'épaisseur d'une quantité de résultat peut également être visualisée comme si la coque était représentée par un objet solide.

Un modèle de support de fixation montrant les contraintes en palette de couleur Arc-en-ciel. Contraintes dans une coque, représentées en utilisant le jeu de données Coque. Les parties transparentes du modèle sont constituées d'éléments solides.

Couplages entre coques disjointes

Dans l'interface coque, trois nouvelles conditions aux limites et aux arêtes ont été ajoutées pour faciliter le couplage entre les parties des coques situées de telle sorte qu'il y a des vides dans la géométrie. Il s'agit de : Arête à Arête, Arête à frontière et Frontière à frontière. Les couplages peuvent être rigides ou élastiques. Voici quelques applications :

  • Les géométries importées où il y a des espaces entre les pièces, où les nouveaux couplages sont utilisés pour joindre ces pièces.
  • La génération de feuillets moyens présentant des écarts résiduels entre les pièces, où les nouveaux couplages sont utilisés pour joindre ces pièces.
  • Eviter la flexibilité artificielle causée par l'utilisation d'une arête commune par exemple dans un joint en T. L'épaisseur de la coque peut désormais être prise en compte de manière plus précise.
  • Modélisation d'une soudure, où la version flexible du couplage permet d'évaluer les forces dans la soudure.
Un modèle de coque montrant les contraintes au milieu de la surface dans la palette de couleurs Prism. Contraintes dans une coque lors de l'utilisation du couplage Arête à arête. Au premier plan: représentation de la surface moyenne avec les arêtes connectées. En arrière-plan: les mêmes résultats en utilisant l'épaisseur 3D réelle dans un ensemble de données Coque.

Chargements de surface sur les faces inférieures et supérieures des coques

Il est maintenant possible dans les interfaces Coque et Plaque d'appliquer des chargements non seulement sur le feuillet moyen mais aussi sur la face supérieure et la face inférieure. Selon l'épaisseur de la coque, la prise en compte de l'emplacement réel peut être déterminante, notamment pour les coques ayant une épaisseur importante et lorsque celles-ci sont courbées. La raison en est que les contributions de couple correspondantes ne peuvent pas être prises en compte sans cette précision. Cette nouvelle caractéristique est disponible dans le tutoriel mis à jour Connexion de coques avec des solides.

Un modèle de coque cylindrique creuse montrant la pression interne avec des flèches rouges. Pression interne dans une coque cylindrique. Le nouveau jeu de données Coque est utilisé pour la visualisation.

Component Mode Synthesis

Les composants linéaires construits à l'aide des interfaces Mécanique des solides et Dynamique multicorps peuvent être réduits à des modèles d'ordre réduit efficaces sur le plan des ressources informatiques à l'aide de la méthode Craig–Bampton. Ces composants peuvent ensuite être utilisés dans des analyses dynamiques ou stationnaires, soit dans un modèle constitué entièrement de composants réduits, soit avec des modèles élastiques non réduits par éléments finis. Ces derniers peuvent alors être non linéaires. Cette approche, appelée Component Mode Synthesis (CMS) ou sous-structuration dynamique, peut apporter des améliorations importantes en temps de calcul et en utilisation de la mémoire. Les résultats, tels que les contraintes et les déformations, dans un composant réduit peuvent être présentés de la même manière que pour toute autre partie du modèle. Découvrez cette nouvelle fonctionnalité dans le modèle tutoriel Tutoriel sur la sous-structuration dynamique.

Un modèle de boîte de vitesses avec un boîtier vert montrant l'engrènement et l'intérieur avec des engrenages rotatifs jaunes. Dans ce modèle de boîte de vitesses, le carter (vert) est réduit à un modèle dynamique équivalent de 74 degrés de liberté (ddl), qui sert de support au mécanisme d'engrenage. Le modèle total, fortement non linéaire, des engrenages en rotation compte alors 170 ddl.

Modélisation des contacts mécaniques considérablement simplifiée

L'analyse structurelle des assemblages incluant des contacts mécaniques est désormais beaucoup plus simple à mettre en place. Ceci est dû à l'automatisation intégrée des paires, des contacts et des fonctions de continuité. S'il y a au moins une paire de contact dans le modèle, un noeud Contact par défaut sera automatiquement créé dans les interfaces de mécanique structurelle pertinentes. De même, s'il existe au moins une paire d'identité, un noeud Continuité par défaut est automatiquement créé. Ainsi, si les pièces de votre géométrie sont placées de manière adjacente, elles seront également connectées du point de vue de la physique, à condition que vous utilisiez la création automatique de paires dans le noeud Constituer un assemblage de la séquence géométrique.

En raison de la reformulation générale de la fonctionnalité de paire, la case à cocher Source extérieure à la physique courante dans Contact n'est plus nécessaire et a été supprimée. Ainsi, le contact entre différentes interfaces physiques est également géré automatiquement.

Tous les tutoriels contenant Contact ou Continuité ont été mis à jour en conséquence.

Intégration réduite

Dans les interfaces Mécanique du solide et Membrane, une nouvelle section a été ajoutée pour la méthode numérique connue sous le nom d'intégration réduite. L'intégration réduite est particulièrement utile lorsque le coût de calcul par point d'intégration est élevé, ce qui est le cas pour de nombreuses lois de comportement avancées. Elle peut également être utilisée pour résoudre les problèmes de verrouillage rencontrés par certaines lois de comportement matériaux.

Pour les éléments utilisant des fonctions de forme linéaires, l'intégration réduite peut provoquer des singularités dans la matrice de rigidité, qui sont contrebalancées par l'ajout de stabilisation de Hourglass.

L'intégration réduite est contrôlée à partir de la section Paramètres de quadrature. Elle est disponible dans plusieurs lois de comportement matériaux comme le Matériau élastique linéaire. La règle d'intégration sélectionnée sera ensuite héritée par tous les sous-noeuds qui pourront être ajoutés.

Améliorations dans la modélisation des boulons

Plusieurs améliorations ont été apportées pour accroître la productivité lors de la modélisation de structures boulonnées :

  • La fonction Prétension de boulon est désormais également disponible dans l'interface Poutre, ce qui facilite la modélisation simplifiée des boulons à l'aide d'éléments de poutre.
  • Le couplage multiphysique Connexion poutres-solides a été étendu avec une option permettant de connecter un point sur une poutre à une arête sur un solide. Cette amélioration n'est en aucun cas limitée à la modélisation des boulons, mais elle est particulièrement utile pour une représentation simplifiée de la tête du boulon lorsque des éléments de poutre sont utilisés pour modéliser les boulons.
  • Il est désormais possible de serrer un ensemble de boulons dans un ordre défini par l'utilisateur en utilisant une seule étape d'étude Prétention des boulons. Cela rend beaucoup plus pratique la modélisation des cas où l'ordre dans lequel les boulons sont serrés est important.
  • La précharge du boulon peut maintenant aussi être prescrite en termes de couple de serrage.
  • Lorsque des boulons sont présents dans un modèle, un groupe d'évaluation contenant les forces des boulons sera automatiquement créé.
  • Les étiquettes d'identification des boulons peuvent être générées automatiquement.

Ces améliorations sont présentées dans le nouveau modèle tutoriel Modélisation des boulons précontraints.

Un modèle de plaque solide avec cinq boulons montrant les contraintes sur la surface. Boulons, modélisés à l'aide d'un élément solide et de poutres. Les contraintes sur la surface sous les têtes de boulons sont indiquées.

Améliorations en viscoélasticité

Plusieurs nouveautés importantes ont été incorporées aux lois de comportement viscoélastiques:

  • Pour les analyses temporelles et dans le domaine fréquentiel, tous les modèles de viscoélasticité ont été améliorés pour permettre d'inclure la viscoélasticité également dans la déformation volumétrique.
  • Le modèle de Maxwell généralisé est maintenant capable de rogner les branches représentant les plages de fréquence en dehors de la largeur de bande des chargements imposés, ce qui améliore les performances des analyses temporelles pour les modèles comportant des dizaines de branches viscoélastiques.
  • Pour les analyses dans le domaine fréquentiel, un nouveau modèle de viscoélasticité défini par l'utilisateur permet d'entrer des expressions dépendantes de la fréquence pour les modules ou les compliances de perte et de stockage.
  • Grâce à une nouvelle formulation des équations viscoélastiques, il est maintenant possible de résoudre les fréquences propres d'une structure présentant des matériaux viscoélastiques en utilisant une procédure standard pour les problèmes de fréquences propres amorties. Auparavant, le problème des valeurs propres était non linéaire en fréquence et seule une fréquence propre à la fois pouvait être déterminée. Ces améliorations sont maintenant incluses dans les tutoriels Modes propres d'un amortisseur structurel viscoélastique et Analyse transitoire d'un amortisseur structurel viscoélastique.

Plissement des membranes

Les membranes ne sont stables que si tous les efforts dans le plan sont des contraintes de traction. Lorsqu'une contrainte principale dans une membrane tombe en dessous de zéro, la matrice de rigidité devient singulière. Physiquement, cela signifie que des plis apparaissent. Cette situation peut maintenant être prise en compte en ajoutant le nouveau sous-noeud Plissement sous le noeud Matériau élastique linéaire dans l'interface Membrane. Cette nouvelle fonctionnalité est utilisée dans les modèles suivants :

Un modèle d'airbag gonflé montrant les régions ridées en bleu et la contrainte principale en flèches rouges. Formation de plis durant le gonflage d'un airbag. Dans les régions bleues, le plissement est détecté, car une seule contrainte principale (flèches rouges) est supérieure à zéro.

Nouveaux modèles d'amortissement

De nouveaux modèles d'amortissement ont été ajoutés pour les lois de comportement mécaniques:

  • Le modèle Atténuation d'onde est essentiellement un modèle visqueux avec des paramètres issus de données mesurées pour l'atténuation des ondes élastiques dans le matériau. Il est disponible dans le modèle Matériau élastique linéaire de l'interface Mécanique du solide.
  • Le modèle Facteur de perte maximal est principalement destiné à l'analyse dans le domaine temporel des matériaux pour lesquels une formulation basée sur le facteur de perte fournit une bonne description dans le domaine fréquentiel. Ce modèle d'amortissement est disponible pour toutes les lois de comportement matériaux qui supportent l'amortissement visqueux.
  • Dans la loi de comportement Matériau piézoélectrique, il existe, en plus de l'amortissement mécanique Facteur de perte maximal, un nouveau modèle d'amortissement dans le domaine fréquentiel pour la perte diélectrique nommé Permittivité complexe.
  • Pour la caractéristique Conservation de la charge, piézoélectrique, vous pouvez maintenant faire appel à deux nouveaux modèles de dispersion : Debye et Debye multipôlaire.

Améliorations de la modélisation des fissures

Lors de la modélisation de fissures à l'aide de la fonction Fissuration, plusieurs améliorations sont apportées:

  • Vous pouvez maintenant empêcher la fermeture excessive de la fissure en ajoutant un sous-nœud Fermeture de fissure. Cela ajoutera une condition de contact, dans laquelle la friction dans la fissure peut également être prise en compte.
  • Lorsque vous utilisez un sous-nœud Charge sur frontière, vous pouvez désormais attribuer un groupe de chargement afin de limiter et de mettre à l'échelle la charge pour certains cas de charge.
  • Les facteurs d'intensité de contrainte KI, KII et KIII sont maintenant calculés avec un signe. Il est donc possible de déterminer par exemple la plage de KII pour un ensemble de cas de charge. Une valeur négative de KI indiquerait que les surfaces de fissures se chevauchent (en supposant que Fermeture de fissure n'est pas utilisé). Pour contrôler la définition des signes des facteurs d'intensité des contraintes en 3D, un nouveau sous-noeud appelé Front de fissure inversé a été ajouté.
  • En utilisant une nouvelle option dans le sous-nœud Intégrale J, vous obtenez un contrôle détaillé sur la façon dont les facteurs d'intensité de contrainte KI, KII, et KIII sont déterminés à partir de l'intégrale J.
Une plaque 2D avec une fissure sur l'arête montrant la tension (à gauche) et la plaque comprimée (à droite). Une plaque avec une fissure sur l'arête soumise à la tension (à gauche) et à la compression (à droite) en utilisant la fonction Fermeture de fissure.

Formulation mixte améliorée

Dans les modèles de matériaux qui ont une option pour sélectionner une formulation mixte, vous pouvez maintenant modifier la discrétisation pour la variable dépendante supplémentaire (pression ou déformation volumétrique). Cela permet d'éviter plus facilement le phénomène de verrouillage et les instabilités dans les matériaux à faible compressibilité.

Lorsqu'une formulation mixte est sélectionnée dans les paramètres Matériau élastique linéaire, une nouvelle section Discrétisation apparaît automatiquement pour le modèle de matériau. Dans cette section, vous pouvez choisir entre différents types de fonctions de forme pour la variable dépendante supplémentaire.

Améliorations de la linéarisation des contraintes

La fonctionnalité Linéarisation des contraintes de l'interface Mécanique du solide a fait l'objet de deux améliorations qui la rendent beaucoup plus simple d'utilisation:

  • Il n'est plus nécessaire d'utiliser une ligne géométrique pour définir une ligne de classification des contraintes à travers l'épaisseur. Vous pouvez maintenant utiliser une ligne entre deux points arbitraires. Les points peuvent être des points géométriques ou simplement des emplacements spécifiés par des coordonnées.
  • Les valeurs de linéarisation des contraintes peuvent être présentées comme un champ sur une frontière. Dans ce cas, l'évaluation est effectuée en utilisant un grand nombre de lignes générées automatiquement, distribuée de façon orthogonale à la frontière. En utilisant cette méthode, il est possible d'identifier le plus mauvais emplacement pour placer une ligne de classification des contraintes.

Ces améliorations ont été incluses dans la mise à jour du tutoriel Plasticité dépendante de la température dans un réservoir sous pression.

Un modèle de réservoir sous pression montrant l'intensité de la contrainte et la température. Intensité de la contrainte, représentée sur la surface externe d'un réservoir sous pression. Le volume est coloré selon la température. Pendant un transitoire thermique comme celui-ci, il serait difficile de trouver l'emplacement critique pour la linéarisation de la contrainte à travers la paroi du réservoir sous pression sans voir la distribution sur la frontière.

Matériau élastique linéaire renforcé par des fibres

En ajoutant un ou plusieurs sous-nœuds Fibre sous un Matériau élastique linéaire, vous pouvez augmenter la rigidité par l'effet de la distribution des fibres. La teneur en fibres est supposée être une fraction faible du volume total du matériau. Les fibres peuvent éventuellement être actives uniquement en tension, afin de simuler le flambage des fibres. Vous pouvez également modéliser la dilatation thermique des fibres en ajoutant un sous-nœud Dilatation thermique sous le nœud Fibre.

Un modèle de cylindre solide avec des fibres à l'intérieur montrant la contrainte dans la palette de couleurs Rainbow. Contrainte dans un cylindre solide avec des fibres incorporées. Notez que les fibres sont en fait distribuées uniformément en tant que fraction volumique; des lignes de courant sont utilisées pour la visualisation.

Calcul des forces de section dans les solides

En ajoutant le nouveau nœud Forces de section dans Mécanique des solides, vous pouvez calculer les forces de section (force axiale, forces de cisaillement, moments de flexion et moment de torsion) sur une section transversale dans une structure solide. Vous pouvez voir cette nouvelle fonctionnalité dans le modèle tutoriel mis à jour Boulons précontraints dans une connexion de tube.

Un modèle de tube montrant une section transverse au centre dans la palette de couleur Arc-en-ciel. Moments de section calculés dans une section transverse d'un tube soumis à de la flexion et de la torsion.

Imperfection initiale en analyse de flambage

Vous pouvez désormais utiliser une combinaison linéaire de modes de flambage provenant d'une analyse de flambage linéaire comme imperfections initiales de la géométrie lors de l'exécution d'une analyse de flambage non linéaire complète. Cette fonctionnalité est contrôlée à partir du nouveau noeud Imperfection de flambage. Le modèle mis à jour du tutoriel Analyse de flambement linéaire d'une tour en treillis illustre cette nouvelle caractéristique.

Entrées de contraintes résiduelles

Dans les paramètres du sous-noeud Contraintes externes, il existe désormais une option appelée Contraintes résiduelles. La contribution d'une contrainte résiduelle n'affectera pas directement les déplacements. En d'autres termes, si vous entrez simplement une contrainte résiduelle, et aucune autre charge, il n'y aura pas de déplacements. Cependant, la contrainte est ajoutée au tenseur des contraintes dans le sens où elle fera partie de l'état de contraintes qui est utilisé dans divers lois de comportement matériaux. Cela peut par exemple être utilisé pour imposer les contraintes résiduelles qui existent dans un matériau après soudage.

Nouveaux tutoriels

La version 6.0 de COMSOL Multiphysics® apporte plusieurs nouveaux tutoriels au module Structural Mechanics.