Module Structural Mechanics

Effectuez des analyses mécaniques avec des capacités multiphysiques avancées

Le module Structural Mechanics, un add-on de la plateforme COMSOL Multiphysics®, est un logiciel d'analyse par éléments finis conçu pour analyser le comportement mécanique des structures solides. Le module fournit des outils de modélisation et des fonctionnalités pour la mécanique du solide, les études dynamiques, les lois de comportement matériaux, les formulations coques, poutres, le contact, les fractures, etc. Les domaines d'application comprennent l'ingénierie mécanique, le génie civil, la géomécanique, la biomécanique et les dispositifs MEMS.

Le module Structural Mechanics apporte des couplages multiphysiques intégrés qui incluent les contraintes thermiques, l'interaction fluide–structure et la piézoélectricité. La combinaison avec d'autres modules de la gamme de produits COMSOL permet d'obtenir des effets avancés de transfert de chaleur, d'écoulement de fluides, d'acoustique et d'électromagnétisme dont les modélisations peuvent être étendues pour inclure des matériaux spécialisés et des fonctionnalités d'import CAO.

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Un modèle d'assemblage de tubes montrant la contrainte au niveau d'un boulon représentée avec la palette de couleur Arc-en-ciel.

Effectuez une variété d'analyses mécaniques

Plusieurs types d'analyses sont disponibles pour prédire les performances mécaniques dans un environnement virtuel. Grâce au module Structural Mechanics, vous serez capable de répondre aux questions concernant les niveaux de contraintes et de déformations, la rigidité et la souplesse, les fréquences propres du système, la réponse aux chargements dynamiques et l'instabilité de flambage, pour n'en citer que quelques unes.

Analyses du module Structural Mechanics

  • Statique
  • Fréquence propre
    • Non amortie
    • Amortie
    • Précontrainte
  • Transitoire
    • Superposition directe ou modale
  • Réponse en fréquence
    • Superposition directe ou modale
    • Précontrainte
  • Non-linéarité géométrique et grandes déformations
  • Contact mécanique
  • Flambement
  • Spectre de réponse
  • Vibration aléatoire
  • Sous-structuration dynamique

Analyses généralisées

Graphique 1D d'une analyse paramétrique avec le déplacement sur l'axe des y et la direction de la force sur l'axe des x.
Analyse paramétrique

Calculez un modèle avec plusieurs paramètres d'entrée pour comparer les résultats.

Une vue rapprochée de deux modèles de support montrant la géométrie originale et la géométrie finale optimisée.
Optimisation

Optimisez les dimensions géométriques, la forme, la topologie et d'autres grandeurs avec le [module Optimization(/optimization-module).

Éléments finis

Le module Structural Mechanics fournit un ensemble complet d'outils de modélisation pour les différents types d'analyses mécaniques. Basé sur la méthode des éléments finis, il permet non seulement de modéliser des solides en 3D, mais il intègre aussi des formulations en 2D (contraintes planes, déformations planes, déformations planes généralisées et symétrie axiale). De manière similaire, il existe des fonctionnalités pour les formulations coques et plaques, membranes, poutres, tuyaux, treillis et câbles, ainsi que pour les couplages entre ces différentes formulations.

Pour la modélisation des solides en 3D, il existe de nombreuses options pour les formes et l'ordre des éléments. Les éléments triangle, quad, tet, hex, prisme et pyramide sont tous disponibles. Vous pouvez choisir des éléments de premier, deuxième et troisième ordre, et pour l'analyse multiphysique, des éléments d'ordre mixte.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Structural Mechanics

Le module Structural Mechanics fournit des caractéristiques et des fonctionnalités spécialisées pour la simulation d'une variété d'analyses mécaniques et fonctionne de manière transparente dans la plate-forme COMSOL Multiphysics® pour une méthodologie de modélisation consistante.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Mécanique des solides en surbrillance et un modèle de connexion de tube dans la fenêtre graphique.

Mécanique du solide

Les options de modélisation de la mécanique du solide comprennent les formulations 3D, 2D (contrainte plane, déformation plane et déformation plane généralisée) et 2D axisymétrique. Elles fournissent l'approche la plus générale de l'analyse des structures mécaniques avec des couplages multiphysiques intégrés à un grand nombre de domaines de la physique. Il existe une grande variété de lois de comportement matériaux disponibles pour décrire avec précision votre problème de mécanique du solide, et il est aisé d'étendre ces fonctionnalités via une modélisation basée sur les équations. Définissez vous-même les propriétés matériaux à l'aide d'expressions constantes, variables dans l'espace, anisotropes ou non-linéaires, de fonction tabulées ou de combinaisons de ces éléments. Les éléments peuvent être activés et désactivés en fonction des expressions définies par l'utilisateur.

Une vue rapprochée des paramètres de Connexion solide-coque et d'un modèle de support dans la fenêtre graphique.

Coques et membranes

Pour les structures minces, l'utilisation d'éléments coque (3D, 2D axisymétrique) et de plaque (2D) peut être très efficace. Les formulations permettent la prise en compte des déformations de cisaillement transverses nécessaires pour modéliser des coques épaisses. Vous pouvez appliquer un décalage dans la direction normale à une surface sélectionnée, ce qui simplifie la modélisation lorsque vous travaillez avec une représentation 3D complète de la géométrie. Les résultats des analyses par éléments coque peuvent être présentés comme une représentation volumique complète.

Les structures très fines, telles que les films minces et les tissus, nécessitent une formulation sans rigidité en flexion. Cela est possible avec l'interface Membrane, dans laquelle des éléments courbes en formulation contraintes planes en 2D axisymétrique ou en 3D sont utilisés pour calculer les déplacements dans le plan et hors-plan, en incluant les effets du plissement. Lors de l'étude de ce type de structure, la possibilité de partir d'un état précontraint est fréquemment utilisée.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Ondes élastiques, explicite en temps en surbrillance et un modèle de la Terre dans la fenêtre graphique.

Ondes élastiques

Modélisez la propagation des ondes élastiques dans des solides isotropes, orthotropes, anisotropes et piézoélectriques, pour des applications faisaint intervenir des physiques indépendantes ou multiphysiques, telles que le contrôle vibratoire, le contrôle non destructif (CND) ou la rétroaction mécanique. Les domaines d'application vont des problèmes micromécaniques à la propagation des ondes sismiques.

L'interface Mécanique du solide utilise une formulation complète en dynamique des structures qui analyse les ondes élastiques en prenant en compte à la fois les effets des ondes de cisaillement et des ondes de compression dans les solides. Les conditions aux limites mécaniques peuvent être utilisées pour exciter et absorber les modes de propagation dans les guides d'ondes et pour calculer la matrice de diffusion d'un composant. Les conditions aux limites absorbantes et les couches parfaitement adaptées (PML) permettent une modélisation efficace des domaines non délimités dans l'espace.

L'interface Ondes élastiques, solveur explicite en temps est dédiée aux problèmes de propagation d'ondes élastiques linéaires transitoires sur des domaines vastes contenant de nombreuses longueurs d'onde. L'interface utilise une méthode explicite en temps (dG-FEM) d'ordre supérieure. L'interface est multiphysique et peut être couplée de manière transparente à des domaines fluides.

Une vue rapprochée des paramètres de viscoélasticité et d'un modèle d'amortisseur dans la fenêtre graphique.

Lois de comportement matériaux

Le module Structural Mechanics fournit des lois de comportement matériaux linéaires élastiques, viscoélastiques et piézoélectriques, mais vous pouvez également accéder à une large gamme de modèles de matériaux non-linéaires, y compris hyperélastiques et élastoplastiques, en ajoutant le module Nonlinear Structural Materials ou le module Geomechanics.

Il existe de plus de nombreuses possibilités d'extension des lois de comportement matériaux existantes, ou de création des vôtres. Renseignez des expressions qui dépendent des contraintes, des déformations, des coordonnées spatiales, du temps ou des propriétés provenant d'une autre interface physique directement dans le champ de saisie d'une propriété matériau. En analyse fréquentielle, vous avez la possibilié de saisir des expressions à valeurs complexes. Vous pouvez également, en guise d'exemple, ajouter des équations différentielles personnalisées pour fournir des contributions de déformation inélastique.

Les lois de comportement matériaux peuvent prendre en compte la dilatation thermique, le gonflement hygroscopique, les contraintes et les déformations initiales, ainsi que plusieurs types d'amortissement. Les propriétés des matériaux peuvent être isotropes, orthotropes ou totalement anisotropes. Vous pouvez inclure votre propre loi de comportement matériau en fournissant des fonctions externes codées en langage de programmation C.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Chargement sur frontière en surbrillance et un tracé 1D dans la fenêtre graphique.

Chargements et contraintes

Le module Structural Mechanics vous offre une multitude d'options de chargements et de contraintes différentes, ce qui facilite une modélisation haute fidèlité par rapport à la réalité. Définissez des chargements distribués sur des domaines, frontières, arêtes, ainsi que des chargements mobiles. Spécifiez une force totale, incluez la gravité ou des masses ajoutées, et incluez des repères rotatifs avec des forces centrifuges, de Coriolis et d'Euler.

Pour contraindre le modèle, il est possible d'utiliser des ressorts et des amortisseurs, ainsi que des déplacements, des vitesses et des accélérations imposés. Les conditions aux limites périodiques, les frontières faiblement réfléchissantes, les couches parfaitement adaptées (PML) et les éléments infinis permettent de réduire la taille du modèle pour une modélisation efficace.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Déplacement en surbrillance et un modèle de cadre en acier dans la fenêtre graphique.

Analyses dynamiques et vibratoires

Le module Structural Mechanics permet d'effectuer des analyses temporelles et fréquentielles. Les études fréquentielles comprennent les analyses de fréquence propre, fréquence propre amortie et de balayage en fréquence. De plus, des types d'études spécialisées sont disponibles pour les vibrations aléatoires et les analyses de spectre de réponse. L'analyse des vibrations aléatoires permet des paramètres d'entrées basés sur la densité spectrale de puissance (DSP) en fonction de la fréquence, incluant également les chargements non corrélés et entièrement corrélés. Un exemple typique est un chargement causé par le vent sur une tour. L'analyse par spectre de réponse est une méthode efficace pour déterminer la réponse mécanique à des événements courts non déterministes tels que les séismes et les chocs. La synthèse modale de composants (CMS), également connue sous le nom de sous-structuration dynamique, réduit les composants linéaires à des modèles d'ordre réduit économes en ressources informatiques en utilisant la méthode de Craig-Bampton. Ces composants peuvent ensuite être utilisés dans des analyses dynamiques ou stationnaires, ce qui diminue à la fois le temps de calcul et l'utilisation de la mémoire.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Données en coupe transversale en surbrillance et un modèle de tour en treillis dans la fenêtre graphique.

Poutres, conduites et treillis

Il existe des types d'éléments spécialisés pour la modélisation des poutres, décrites par les propriétés de leur section transversale. Des formulations pour les poutres minces (théorie d'Euler–Bernoulli) et les poutres épaisses (théorie de Timoshenko) sont disponibles. Des couplages prédéfinis permettent de mélanger les poutres avec d'autres types d'éléments pour étudier les renforcements des structures solides et des coques. Vous pourrez modéliser les sections transversales des poutres de manière générale ou bien utiliser une bibliothèque de sections transversales fréquemment rencontrées.

De plus, le module Structural Mechanics vous permet de modéliser des structures minces qui ne peuvent supporter que des forces axiales (treillis). Ces éléments peuvent également être utilisés pour modéliser des câbles affaissés et des renforcements.

L'analyse mécanique des conduites est similaire à celle des poutres, mais avec l'ajout d'une pression interne qui contribue généralement de manière significative aux contraintes dans un tuyau. De plus, les gradients de température se produisent généralement à travers la paroi du tuyau, plutôt que sur toute la section. Les chargements dus à la pression interne et aux forces de traînée peuvent être extraites directement des résultats de l'analyse thermique et de l'écoulement d'une conduite à l'aide du module Pipe Flow.

Une vue rapprochée des paramètres de contact et d'un modèle d'arche dans la fenêtre graphique.

Contact et frottement

Les situations où des objets entrent en contact les uns avec les autres sont fréquentes dans les simulations mécaniques. Les analyses statiques et dynamiques peuvent inclure la modélisation du contact, et les objets en contact peuvent avoir des déplacements relatifs arbitrairement grands. De plus, les effets de frottement, qu'il s'agisse de collage ou de glissement, peuvent être modélisés.

La fonctionnalité d'analyse de contact inclut également la possibilité de modéliser l'adhésion et la décohésion entre les objets en contact et de modéliser l'enlèvement de matière par usure lorsque les objets glissent les uns par rapport aux autres.

Une vue rapprochée des paramètres d'endommagement et un modèle de poutre avec encoche dans la fenêtre graphique.

Mécanique des fractures

Il existe plusieurs approches différentes de la modélisation des fissures. Une fissure peut être soit infiniment mince et représentée par une seule frontière, soit représentée par des surfaces disjointes dans la géométrie. Une fissure peut avoir un nombre quelconque de branches et de fronts de fissure correspondants.

Les intégrales J et les facteurs d'intensité de contrainte peuvent être calculés en 2D et 3D. Vous pouvez également prescrire un chargement sur les faces de la fissure.

En ajoutant le module Nonlinear Structural Materials ou le module Geomechanics, vous pouvez modéliser l'endommagement et la fissuration des matériaux fragiles selon différents critères.

Une vue rapprochée des paramètres de contact du filetage d'un boulon et d'un modèle de chapeau de roulement dans la fenêtre graphique.

Caractéristiques d'ingénierie

Dans le module Structural Mechanics, vous trouverez plusieurs fonctionnalités d'ingénierie mécanique qui vous aideront à créer plus rapidement des modèles représentant des situations du monde réel. Ces fonctionnalités comprennent des conditions aux limites telles que les connecteurs rigides pour la modélisation des parties rigides et des contraintes cinématiques, des boulons avec précontrainte, la linéarisation des contraintes pour l'analyse des réservoirs sous pression, entre autres.

  • Connecteur rigide
  • Domaine rigide
  • Traitement automatique des éléments RBE2 à partir de l'import NASTRAN®
  • Pré-tension des boulons
  • Modélisation du contact du filetage de boulons
  • Linéarisation des contraintes
  • Expression pour les facteurs de sécurité
  • Calcul des efforts de section dans une coupe à travers un solide
  • Cas de chargement
  • Superposition de cas de chargement
  • Calcul des propriétés effectives des matériaux
    • Utilisation d'éléments de volume représentatifs (RVE).

Modules complémentaires au module Structural Mechanics

Des analyses spécialisées, parfaitement intégrées à l'environnement logiciel COMSOL Multiphysics®.

Le module Nonlinear Structural Materials et le module Geomechanics enrichissent les fonctionnalités du module Structural Mechanics avec plus de 100 lois de comportement matériaux non-linéaires différentes.

Ajoutez le module Composite Materials pour analyser des structures minces et stratifiées (matériaux composites), telles que du plastique renforcé par des fibres, des plaques laminées et des panneaux sandwichs que l'on trouve dans les composants d'avions, les pales d'éoliennes, les composants automobiles, etc.

Ajoutez le module Fatigue pour calculer la durée de vie en fatigue des structures: fatigue à haut nombre de cycles, basée sur l'état de contrainte, et fatigue à bas nombre de cycles, basée sur la déformation ou l'énergie. Des fonctionnalités pour le comptage rainflow, l'endommagement cumulatif et la fatigue multiaxiale et vibratoire sont également incluses.

Ajoutez le module Rotordynamics pour modéliser des machines tournantes où les asymétries peuvent entraîner des instabilités et des résonances destructives. Construisez des composants de rotor avec des disques, des roulements et des fondations, et analysez les résultats avec des diagrammes de Campbell, des orbites, des diagrammes waterfall et des diagrammes de précession.

Import de designs à partir de logiciels de CAO tiers

Choisissez parmi un grand nombre de produits d'interface comment vous connecter à COMSOL Multiphysics®.

Importez une variété de formats CAO standard dans COMSOL Multiphysics® pour l'analyse de simulation en utilisant le module CAD Import. Les caractéristiques disponibles comprennent des options de réparation et de nettoyage de votre géométrie CAO pour la préparer au maillage et à l'analyse, ainsi que l'accès au noyau géométrique Parasolid® pour des options solides avancées. Le module Design comprend également ces fonctions et vous permet d'effectuer les opérations de CAO 3D suivantes: loft, congé, chanfrein, surface moyenne et épaississement.

Choisissez parmi une gamme de produits d'interface, connus sous le nom de produits LiveLink™, avec lesquels vous pouvez synchroniser le modèle natif CAO pour l'utiliser dans le logiciel COMSOL®. Vous pouvez également mettre à jour simultanément les paramètres géométriques dans le logiciel de CAO et dans COMSOL Multiphysics®, ainsi qu'effectuer des balayages paramétriques et une optimisation sur plusieurs paramètres de modélisation différents.

Couplages multiphysiques pour étendre les analyses mécaniques

Combinez facilement deux ou plusieurs interactions physiques, le tout dans le même environnement logiciel.

Vue rapprochée du champ de température d'un modèle de stator de turbine.

Contrainte thermique

Contrainte et dilatation thermique, avec un champ de température donné ou calculé, dans des solides et des coques.

Vue rapprochée d'un exemple de modélisation multiphysique d'une filière d'extrusion d'aluminium prenant en compte l'interaction fluide-structure, ainsi que la visualiation des contraintes thermiques.

Interaction fluide–structure (FSI)

Couplages unidirectionnels ou bidirectionnels entre un fluide et une structure solide, incluant la pression du fluide et les forces visqueuses.

Une vue rapprochée des contraintes résiduelles d'un modèle d'engrenage droit.

Traitement des métaux1

Contraintes et déformations des matériaux dépendant de la composition de la phase métallurgique pendant la trempe des aciers ou d'autres processus de traitement thermique.

Une vue rapprochée du mécanisme d'engrenage différentiel d'un modèle.

Dynamique multicorps2

Un ensemble complet d'outils pour simuler des systèmes mixtes de corps flexibles et rigides.

Vue rapprochée d'un modèle d'actionneur piézoélectrique montrant la déformation et la déviation de la pointe.

Piézoélectricité

Dispositifs piézoélectriques comprenant des composants métalliques et diélectriques.

Vue rapprochée d'un modèle de transducteur piézo-acoustique montrant la pression acoustique.

Interaction Acoustique–Structure 3

Interactions solide–acoustique, acoustique–coque, et piézo–acoustique, ainsi que les vibrations et la propagation des ondes élastiques.

Une vue rapprochée d'un modèle de puits multilatéral montrant l'amplitude du déplacement.

Poroélasticité4

Couplage entre l'écoulement en milieu poreux et la mécanique des solides pour modéliser les effets poroélastiques.

Vue rapprochée d'un modèle de capteur de pression montrant l'amplitude du déplacement.

Gonflement hygroscopique

Absorption d'humidité et gonflement hygroscopique dans les polymères et les batteries.

Une vue rapprochée d'un modèle de micromiroir montrant la déformation et le maillage voumique.

MEMS5

Piézorésistivité, déformation électromécanique due aux forces électrostatiques et électrostriction.

Vue rapprochée d'un modèle de transducteur magnétostrictif montrant la contrainte, le déplacement et le champ magnétique.

Matériaux électromagnétiques6

Dispositifs élastiques magnétostrictifs, électrostrictifs et ferroélectriques.

Vue rapprochée d'un modèle de circuit de chauffage montrant les contraintes et les déformations.

Electromagnétisme basse fréquence6

Déformations des dispositifs électroniques et des moteurs électriques dues aux forces électromagnétiques.

Vue rapprochée d'un modèle de filtre à cavité montrant la température et les contraintes thermiques.

Composants RF et micro-ondes7

Déformation et contraintes mécaniques affectant les performances des dispositifs et composants RF et micro-ondes tels que les filtres.

Vue rapprochée d'un guide d'ondes photonique montrant l'effet de contrainte optique.

Effets optiques sous contrainte8

Biréfringence induite par les contraintes dans les guides d'ondes.

Une vue rapprochée d'un modèle de lentille Petzval montrant les rayons sous trois angles différents.

Analyse STOP9

Analyse des performances mécano-thermo-optiques (STOP) des systèmes optiques.

  1. Nécessite également le module Metal Processing
  2. Nécessite également le module Multibody Dynamics
  3. Nécessite également le module Acoustics
  4. Nécessite également le module Porous Media Flow ou le module Subsurface Flow
  5. Nécessite également le module MEMS
  6. Nécessite également le module AC/DC
  7. Nécessite également le module RF
  8. Nécessite également le module Wave Optics
  9. Nécessite également le module Ray Optics

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

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