Structural Mechanics Module

Analyses en Mécanique des Structures

Structural Mechanics Module

Analyse en fréquence propre d'une bielle montrant l'angle de torsion le long de la bielle à la fréquence propre la plus basse.

Analyse Mécanique Statique, Temporelle et Fréquentielle

Le Structural Mechanics Module permet d'analyser les structures mécaniques soumises à des chargements statiques ou dynamiques. Il se prête à différentes analyses, notamment de type stationnaire, transitoire, en mode propre/modale, paramétrée, quasi-statique, de réponse en fréquence sous chargement harmonique, flambage et pré-contrainte.

Les Modules Complémentaires Etendent et Affinent les Analyses en Mécanique

Le Structural Mechanics Module propose des interfaces physiques pour les analyses en 2D et 2D axisymétrique, ainsi que les systèmes de coordonnées 3D pour les solides, les coques (3D), les plaques (2D), les treillis (2D, 3D), les membranes (2D axisymétrique, 3D) et poutres (2D, 3D). Ces fonctionnalités permettent d'analyser les grandes déformations dues aux non-linéarités géométriques, au contact mécanique, aux déformations d'origine thermique, aux matériaux piézoélectriques et à l'interaction fluide-structure (FSI). Deux modules complémentaires permettent l'analyse des matériaux non linéaires : le Nonlinear Structural Materials Module et le Geomechanics Module. Le module complémentaire Fatigue Module facilite l'évaluation de la durée de vie en fatigue, tandis que le module complémentaire Multibody Dynamics Module est idéal pour simuler la cinématique des corps rigides et flexibles. Le Structural Mechanics Module est utilisé conjointement à COMSOL Multiphysics et aux autres modules complémentaires pour coupler l'analyse en mécanique des structures à différents phénomènes multiphysiques, comme l'interaction de structures mécaniques avec des champs électromagnétiques, des écoulements et des réactions chimiques.


Images Supplémentaires

  • L'analyse en fréquence propre d'un rotor repose sur la simulation de l'une des pales et l'utilisation des conditions aux limites périodiques intégrées. L'analyse en fréquence propre d'un rotor repose sur la simulation de l'une des pales et l'utilisation des conditions aux limites périodiques intégrées.
  • Analyse structurelle transitoire d'un amortisseur fabriqué avec un matériau viscoélastique. Analyse structurelle transitoire d'un amortisseur fabriqué avec un matériau viscoélastique.
  • La présence de boulons précontraints induit des forces de traction, et donc des déformations dans une bride. La présence de boulons précontraints induit des forces de traction, et donc des déformations dans une bride.
  • FSI - Un panneau solaire exposé au vent est une application type pour une analyse couplée de mécanique des structures et d'écoulement fluide. FSI - Un panneau solaire exposé au vent est une application type pour une analyse couplée de mécanique des structures et d'écoulement fluide.
  • Contact entre les roulements à billes et la cage, et grande déformation sur le soufflet en caoutchouc d'un joint à vitesse constante (CV). Modèle reproduit avec l'aimable autorisation de Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne, Italie. Contact entre les roulements à billes et la cage, et grande déformation sur le soufflet en caoutchouc d'un joint à vitesse constante (CV). Modèle reproduit avec l'aimable autorisation de Fabio Gatelli, Metelli S.p.A., Cologne, Italie.
  • L'étude d'une pale en rotation montre l'effet conjoint du raidissement des contraintes et de l'amortissement de la rotation sur la fréquence propre fondamentale L'étude d'une pale en rotation montre l'effet conjoint du raidissement des contraintes et de l'amortissement de la rotation sur la fréquence propre fondamentale

Modèles Matériaux

Les modèles constitutifs du Structural Mechanics Module incluent les modèles de matériaux suivants : matériaux élastiques linéaires et viscoélastiques, matériaux orthotropes et matériaux avec amortissement. Pour enrichir cet ensemble de modèles, l'utilisateur peut ajouter au Structural Mechanics Module le Nonlinear Structural Materials Module et le Geomechanics Module, qui permettent d'analyser les grandes déformations plastiques sous contrainte, les matériaux hyperélastiques, la plasticité, le fluage, la viscoplasticité, les roches, les bétons et les sols. La définition des lois de comportement matériaux par l'utilisateur est particulièrement simple, grâce aux interfaces de COMSOL basées sur les équations. L'approche classique, qui consiste à faire appel à des sous-programmes en plus du logiciel utilisé, est remplacée par une opération plus simple : les équations constitutives sont entrées directement dans l'interface graphique, sous la forme d'expressions mathématiques au niveau des variables, des invariants de déformation ou de contrainte et des grandeurs dérivées. Par exemple, au lieu d'une constante, le module de Young peut être représenté par une fonction d'une variable et de ses dérivées. Les propriétés matériaux peuvent varier dans l'espace ou le temps. Elles peuvent également être décrites par des expressions à valeur complexe.

Chargements, Contraintes et Outils de Modélisation Spécialisés

Le module offre une vaste gamme de chargements et de contraintes : force totale, chargement en pression, forces suiveuses, ressorts et amortisseurs, masse ajoutée, déplacement imposé, vitesse et accélération. A travers l'interface spécialisée Couche Mince Elastique, l'utilisateur peut modéliser des couches minces élastiques. De plus, les conditions spécialisées de domaine rigide et de frontière rigide sont utiles pour combiner les structures rigides et les structures flexibles grâce aux fonctionnalités du Multibody Dynamics Module. La modélisation d'une petite structure dans ou sur un grand substrat de matériau élastique bénéficie de l'existence de domaine de type élément infini. Parce qu'elle simule un amortissement progressif de la contrainte, cette fonctionnalité permet de simuler sans perte de précision un domaine tronqué, tout en prenant en compte la présence de la grande structure.

Mécanique du Solide

Les interfaces Solid Mechanics du Structural Mechanics Module définissent les grandeurs et les fonctions pour l'analyse des contraintes et la mécanique linéaire et non linéaire générale des solides, afin de résoudre les déplacements. Le modèle matériau par défaut est le modèle matériau élastique linéaire. Deux autres modèles sont proposés : hyperélasticité (exige le Nonlinear Structural Materials Module) et matériau viscoélastique linéaire. Par ailleurs, diverses fonctionnalités peuvent être utilisées pour étendre le modèle matériau (dilatation thermique, amortissement, contrainte et déformation initiales). La définition des déformations inélastiques générales est particulièrement simple, puisqu'il suffit de les entrer sous forme de contributions de déformation initiale supplémentaire, voire de fonctions d'autres champs physiques (de l'électromagnétique à l'écoulement des fluides). La description des matériaux élastiques dans le module inclut les matériaux isotropes, orthotropes et totalement anisotropes. Un coefficient matériau peut être décrit par une constante, des variables, des fonctions d'interpolation à partir de données et des expressions non linéaires variables dans l'espace ou le temps. Puisque COMSOL Multiphysics peut interpréter la moindre expression, l'utilisateur peut effectuer les tâches de modélisation avancée dans l'environnement COMSOL Desktop®, sans une seule ligne de code.

Grandes Déformations et Contact Mécanique

Le Structural Mechanics Module permet de modéliser de grandes déformations dues aux non linéaritéx géométriquex et en prenant en compte les forces suiveuses. Dépendant éventuellement d'autres physiques (comme les forces électromagnétiques ou d'écoulement fluide), les chargements peuvent être distribuées. Le contact mécanique est bien sûr disponible, et extensible à d'autres physiques pour modéliser du contact multiphysique. Par exemple, l'utilisateur peut autoriser des flux de chaleur (avec le Heat Transfer Module) ou des courants électriques (avec le AC/DC Module) sur les frontières en contact, puis faire appel aux contraintes réelles de contact pour simuler courant ou transfert de chaleur lors du contact.

Coques, Plaques et Membranes

Basées sur la formulation de Mindlin-Reissner, les coques sont utilisées pour l'analyse structurelle des structures à faible épaisseur, en prenant en compte les déformations de cisaillement afin de permettre également la simulation des coques plus épaisses. Il est aussi possible d'imposer un décalage dans la direction normale à une surface sélectionnée. L'interface Coque comprend d'autres fonctionalités, dont l'amortissement, la dilatation thermique et la définition des contraintes et déformations initiales. Les études prédéfinies sont les mêmes que pour l'interface Solid Mechanics. A l'instar de l'interface Coque, l'interface Plaque agit sur un simple plan, mais avec des chargements hors du plan uniquement.

A travers l'interface Membrane, il est possible de modéliser des éléments de contraintes planes courbes en 3D, qui permettent des déformations dans le plan et hors du plan. La membrane se différencie de la coque par son absence de rigidité en flexion. Cette interface est idéale pour modéliser les structures telles que les films minces ou les tissus.

Vibrations, Acoustique et Ondes Elastiques

Différentes fonctionnalités sont proposées pour l'analyse de vibration, avec couplage optionnel aux fonctions acoustiques de l'Acoustics Module. Le couplage du Structural Mechanics Module et de l'Acoustics Module met à la disposition de l'utilisateur un outil spécialisé pour les interactions acoustique-coque. L'Acoustics Module propose deux interfaces spécialisées supplémentaires pour les interactions solide-acoustique et piézo-acoustique. Pour les ondes élastiques qui se propagent dans un matériau, le Structural Mechanics Module propose des frontières faiblement réfléchissantes et des couches parfaitement absorbantes (PML), dans lesquelles les ondes élastiques sortantes sont simulées comme étant absorbées. Cette fonctionnalité facilite la modélisation des ondes qui se propagent vers l'extérieur depuis une structure vibrante en milieu relativement grand ou infini.

Evaluation de la Fatigue

L'ajout du Fatigue Module aux analyses mécaniques structurelles permet de calculer la durée de vie en fatigue structurelle. Sont disponibles : les régimes de fatigue à haut et à bas cycle et l'analyse de dommage cumulé. Le Fatigue Module étant étroitement couplé au Structural Mechanics Module, l'utilisateur peut effectuer des simulations de mécanique structurelle et des calculs de fatigue dans l'environnement COMSOL Desktop®. Le Fatigue Module peut être utilisé avec les interfaces Mécaique du Solide, Coque, Plaque et Dynamique Multicorps, ainsi qu'avec les interfaces spécialisées qui simulent les contraintes thermiques, l'effet Joule avec dilatation thermique et les dispositifs piézoélectriques.

Poutres et Treillis

Dans le Structural Mechanics Module, les éléments de poutres sont destinés à l'analyse des structures fines (poutres) qui peuvent être totalement décrites à l'aide des propriétés de section transversale, comme les surfaces et les moments d'inertie. Ils simulent les structures de châssis, aussi bien planes qu'en 3D, et ils peuvent être couplés avec d'autres types d'éléments, notamment pour l'analyse du renforcement par des structures de type solide ou coque. L'interface spécialisée pour les poutres inclut une bibliothèque pour les sections : rectangle, parallélépipède, cercle, conduite, profil en H, profil en U et profil en T. Les fonctionnalités supplémentaires incluent : amortissement, dilatation thermique, contraintes et déformations initiales. A travers une interface en 2D distincte (Sections de poutre), il est possible d'évaluer les propriétés de section pour les sections 2D arbitraires à utiliser comme entrées dans les analyses de poutre.

A travers l'interface Treillis, il est possible de modéliser les structures fines soumises à des forces axiales uniquement. Les treillis permettent de spécifier les petites contraintes et les grandes déformations. Parmi les exemples de structures en treillis figurent les éléments de treillis dont les arêtes et câbles droits sont soumis aux forces de gravité (câbles détendus). Les fonctionnalités supplémentaires incluent amortissement, dilatation thermique, contraintes et déformations initiales.

Contraintes Thermiques

Utilisé conjointement à COMSOL Multiphysics, le Structural Mechanics Module peut être intégré à d'autres modules complémentaires pour modéliser diverses applications multiphysiques. Il propose plusieurs interfaces multiphysiques spécialisées. Par exemple, l'interface Contraintes Thermiques est similaire à l'interface Mécanique du Solide, avec en plus un modèle matériau élastique linéaire thermique. Elle peut être utilisée conjointement avec les différentes interfaces de transfert de chaleur pour coupler le champ de température à la dilatation d'une structure (matériau). Associant la thermodilatation au chauffage par effet Joule, l'interface spécialisée Contraintes Thermiques avec Chauffage par Effet Joule décrit la conduction du courant électrique dans une structure, l'échauffement d'origine électrique provoqué par les pertes ohmiques dans la structure et les contraintes thermiques induites par le champ de température.

Fonctionnalités Supplémentaires pour la Modélisation Mécanique dans les Autres Modules

Le MEMS Module offre des outils spécialisés pour les simulations structurelles caractéristiques des systèmes micromécaniques. Il propose plusieurs interfaces spécialisées pour la piézorésistivité, la déviation électromécanique, les vibrations thermoélastiques, ainsi que des outils de modélisation avancés pour l'analyse des dispositifs piézoélectriques. Du point de vue de l'analyse mécanique, l'Acoustics Module couvre la vibration structurelle, en combinant ondes de pression acoustique et la propagation des ondes élastiques et poro-élastiques. Le Subsurface Flow Module ajoute aux interfaces spécialisées pour la mécanique des solides la poro-élasticité avec l'écoulement en milieu poreux.

CAO et Optimisation

Le CAD Import Module importe les formats CAO les plus courants et fournit les outils de simplification et de réparation qui préparent au mieux les géométries CAO au maillage et à l'analyse. Basé sur le moteur géométrique Parasolid®, le CAD Import Module supporte des opérations sur les solides plus avancées que le moteur COMSOL natif. Avec le ECAD Import Module, les ingénieurs peuvent importer la topologie de leurs composants électroniques pour effectuer la simulation mécanique des structures électroniques. Pour analyser une pièce ou un assemblage mécanique, l'important est de conserver le modèle paramétrée CAO natif, ce qui évite de redéfinir les paramètres de la géométrie pour les étudier et les optimiser. Cette fonctionnalité est disponible avec les produits LiveLink, des interfaces de dialogue entre COMSOL et les logiciels CAO les plus utilisés : SOLIDWORKS®, Inventor®, AutoCAD®, PTC® Creo® Parametric, PTC® Pro/ENGINEER® et Solid Edge®. Ces produits offrent la mise à jour simultanée des paramètres de géométrie dans le logiciel CAO et dans COMSOL, et ils permettent d'appliquer des analyses paramétrées et l'optimisation de plusieurs paramètres. Le couplage avec l'Optimization Module rend possible l'optimisation automatisée pour les dimensions géométriques, les chargements sur frontière ou les propriétés matériaux.

Dispositifs Piézoélectriques

L'interface Dispositifs Piézo-électriques combine les fonctionnalités de modélisation des interfaces Mécanique du Solide et Electrostatique de COMSOL afin d'offrir un outil complet pour la modélisation des matériaux piézoélectriques. Le couplage piézoélectrique peut être lié par une relation contraintes-chargement ou déformations-chargement au calcul de balayage en fréquence, des modes propres et des analyses transitoires. Les fonctionnalités de la mécanique du solide et de l'électrostatique sont accessibles à travers cette interface spécialisée, qui permet notamment de modéliser l'environnement solide (élastique linéaire) ou fluide (air par exemple), ou bien des couches diélectriques.

Interaction Fluide-Structure (FSI)

L'interface multiphysique Interaction Fluide-Structure (FSI) combine l'écoulement des fluides et la mécanique des solides pour simuler l'interaction entre un fluide et une structure solide. Les interfaces Mécanique du Solide et Ecoulement Laminaire permettent de modéliser respectivement les solides et les fluides. Les couplages FSI interviennent sur les frontières entre les fluides et les solides, et incluent la pression des fluides et les forces visqueuses, de même que le transfert de quantité de mouvement des solides vers les fluides (FSI en couplage fort). La formulation Euler-Lagrange Arbitraire (ALE) est utilisée pour simuler la FSI.

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