فیلم آموزشی: مقدمه ای بر مدل سازی مکانیک سازه
من برای هر کسی که مشتاق یادگیری اصول شبیه سازی مکانیک سازه در COMSOL Multiphysics است، یک خبر عالی دارم. ما به تازگی یک نسخه کاملاً اصلاح شده از آموزش تصویری خود را در مورد مدل براکت استاتیک منتشر کرده ایم. COMSOL Multiphysics نسخه 4.4 و ماژول مکانیک سازه برای تجزیه و تحلیل نیروها، تنشها و تغییر شکلهای حاصله بر روی سازههای جامد که در معرض بارهای خارجی هستند، استفاده میشوند.
ویدئو: نحوه مدل سازی مکانیک سازه در COMSOL Multiphysics
انجام تحلیل ساختاری یک مدل یک مرحله ضروری در فرآیند طراحی است. ماژول مکانیک سازه، افزونهای برای COMSOL Multiphysics، قابلیتهای تقریباً نامحدودی را در اختیار شما قرار میدهد تا این کار را انجام دهید.
این ویدیو شما را با ماژول مکانیک سازه آشنا می کند و شما را در کل فرآیند ساخت مدل برای راه اندازی و حل یک مشکل مکانیکی راهنمایی می کند. این شامل نمایش هایی در مورد نحوه ایجاد پارامترها، انتخاب های نامگذاری شده برای بخش های مختلف هندسه، متغیرهای محلی برای پیاده سازی عبارات پیچیده تعریف شده در مدل، مش های سفارشی و نتایج جدول بندی شده است. برای نشان دادن گردش کار برای ساخت و حل یک مسئله مکانیک سازه، از مدل آموزشی COMSOL Multiphysics نسخه 4.4 یک مجموعه براکت ایستا استفاده شده است.
کوچکترین اجزاء، اگرچه اغلب در طراحی نادیده گرفته می شوند، می توانند ابزاری ترین آنها باشند. براکت ها به عنوان یک جزء اصلی پشتیبانی برای بسیاری از دستگاه های مکانیکی در صنایع متعدد عمل می کنند. در این مدل، یک مجموعه براکت از طریق هشت پیچ و مهره در جای خود ثابت می شود. باری روی دو بازوی براکت اعمال می شود که نشان دهنده یک پین است که بین سوراخ های بازوهای براکت قرار می گیرد. در نتیجه، دو سوراخ براکت بارگیری از این پین را تجربه خواهند کرد. پس از تکمیل تحلیل اولیه، جهت بار پین از طریق یک جارو پارامتریک تغییر میکند تا تغییرات اعمال نیرو، توزیع تنش و تغییر شکل مشاهده شود.
دانلود مدل
- در ویدیو نشان داده شده است: براکت – تجزیه و تحلیل استاتیک (نسخه 4.4)
رونویسی ویدیو
امروز، نحوه مدل سازی یک مسئله مکانیک ساختاری را در COMSOL Multiphysics یاد خواهیم گرفت. ما یک آنالیز استاتیکی از مجموعه براکت انجام می دهیم و در پایان یک جارو پارامتریک برای تجزیه و تحلیل بار باربری در زوایای مختلف انجام می دهیم. پس بیایید شروع کنیم.
ما مدل سازی خود را با باز کردن COMSOL Multiphysics شروع می کنیم و ما را به پنجره جدید می آوریم. در اینجا ما دو گزینه برای تنظیم مدل خود داریم. به جای اینکه با یک مدل خالی شروع کنید، از Model Wizard به عنوان راهنمای تعیین ابعاد، فیزیک و مطالعات مورد نظر خود استفاده کنید. در اینجا ابعاد فضایی خود را انتخاب می کنیم. هنگام مدلسازی در مکانیک سازه، میتوانیم به صورت تقارن محوری سه بعدی، دو بعدی یا دو بعدی کار کنیم، اما نه به صورت یک بعدی یا 0 بعدی. با سه بعدی بودن مدل ما، 3D را برای بعد فضا انتخاب کنید.
ما به پنجره Select Physics در Model Wizard آورده می شویم. در اینجا می توانیم فیزیک را که مدل ما نشان می دهد اضافه کنیم. وقتی نوبت به انتخاب فیزیک میرسد، این کاملاً به مدل و اطلاعات معنیداری که میخواهید از نتایج استخراج کنید بستگی دارد. آشنایی با تمام رابط های فیزیک در دسترس شما مفید است، زیرا ممکن است بخواهید بعداً فیزیک های بیشتری را اضافه کنید که مربوط به مدل شما هستند. از آنجایی که ما در حال انجام آنالیز ساختاری یک جامد سه بعدی هستیم، به شاخه مکانیک سازه می رویم، Solid Mechanics را انتخاب می کنیم و آن را به مدل خود اضافه می کنیم. برای ورود به پنجره Select Study روی Study کلیک کنید.
همانطور که نشان داده شده است، بسته به رابط های فیزیکی مورد استفاده در مدل، چندین نوع مطالعه مختلف برای انتخاب وجود دارد. انتخاب نوع مطالعه کاملاً به اهداف تحلیل شما بستگی دارد. برای مثال، در مورد مدل براکت ما میخواهیم تغییر شکلها و تنشها را در تعادل استاتیکی محاسبه کنیم. بنابراین خواص مستقل از زمان هستند. بنابراین، در زیر Preset Studies، Stationary را انتخاب می کنیم. پس از کلیک بر روی Done، به دسکتاپ COMSOL Multiphysics منتقل می شوید.
برای ایجاد پارامترها و ثابت ها در COMSOL Multiphysics در نوار، پارامترها را اضافه کنید. در اینجا پارامترها و ثابت هایی را تعریف می کنیم که بعداً در این مدل از آنها استفاده خواهیم کرد که در این جدول ذخیره می شوند.
قبل از اینکه پارامترها را اضافه کنیم، اجازه دهید به مشکلی که در حال مدل سازی هستیم نگاهی بیندازیم تا درک کنیم که پارامترهای ما از کجا مشتق شده اند. ما یک براکت داریم که در آن پیچهای نصب مجموعه فرض میشود که ثابت هستند و به طور ایمن به خود براکت متصل میشوند.
یک پین بین دو سوراخ در بازوهای براکت قرار می گیرد و سطوح داخلی دو سوراخ براکت بارگیری از این پین را تجربه می کند. ما می خواهیم جهت بار پین را تغییر دهیم تا تغییرات در توزیع تنش و تغییر شکل را ببینیم. پس از آنالیز اولیه با بار پین اعمال شده به سوراخ های براکت در امتداد منفی y انجام شدمحور در صفر درجه، ما یک جارو پارامتریک جهت بار پین را انجام خواهیم داد که از 0 درجه شروع می شود و 45 درجه تا 180 درجه می چرخد. “theta0” برای مشخص کردن جهت اصلی بار استفاده خواهد شد و پارامتری خواهد بود که بعداً در جاروی پارامتریک ما استفاده می شود. “P0” شدت بار اوج اعمال شده به سوراخ های براکت است. در نهایت، “y0” و “z0” مختصات مرکز سوراخ های براکت هستند. استفاده از پارامترها به جای مقادیر عددی، تمرین خوبی است. وقتی این پارامترهای جهانی را تغییر می دهید، در کل مدل به روز می شوند.
ایجاد یک هندسه در COMSOL Multiphysics به سه روش مختلف انجام می شود. هندسه را می توان به صورت دستی در COMSOL ایجاد کرد، می توان آن را از یک فایل وارد کرد، یا می توانید هندسه ای را که در یک برنامه CAD باز کرده اید با COMSOL از طریق هر یک از رابط های LiveLink همگام سازی کنید. در این مثال، مونتاژ هر دو براکت و پیچ و مهره های نصب، برای واردات در دسترس هستند. در قسمت هندسه نوار، روی Import کلیک کنید. نوع وارد کردن هندسه را به فایل COMSOL Multiphysics تغییر دهید و به جایی که فایل “bracket.mphbin” در رایانه شما ذخیره شده است بگردید. این باید در پوشه COMSOL شما در زیر Models، Structural Mechanics Module و سپس Tutorial Models قرار گیرد. فایل را انتخاب کنید، روی Import کلیک کنید و هندسه در پنجره گرافیکی شما ظاهر می شود.
در پنجره Model Builder، در زیر گره Geometry، می توانید گره Form Union را ببینید که تنظیمات پیش فرض برای نهایی کردن هندسه شما به COMSOL Multiphysics است. از آنجایی که ما با مجموعهای از دامنهها سر و کار داریم که فرض میشود کاملاً به یکدیگر متصل هستند و نسبت به یکدیگر حرکت نمیکنند، از Form Union پیشفرض برای نهایی کردن هندسه استفاده میکنیم. روی Build All کلیک کنید.
ایجاد تعاریف در COMSOL Multiphysics به سادهسازی مدل شما کمک میکند، به خصوص هنگام کار با هندسههای بزرگ و یا پیچیده. بیایید نگاهی به چند گزینه بیندازیم.
به نوار بروید و در زیر تب Definitions در قسمت Selections یک کادر اضافه کنید. انتخاب جعبه به شما امکان می دهد گروه هایی از موجودیت های هندسی را به طور جزئی یا کامل در داخل جعبه ایجاد کنید، که همان ویژگی ها را برای آنها اعمال می کند. این فرآیند تغییر مواد، معادلات مدل، شرایط مرزی یا محدودیتها را در بخشهای مختلف مدل شما بسیار آسانتر میکند. در این مثال میخواهیم دو جعبه انتخاب کنیم: اولی برای دامنههای پیچ و دومی برای مرزهای باربر سوراخهای براکت است.
در پنجره تنظیمات جعبه، قسمت Box Limits را پیدا کنید. در اینجا میتوانیم مقادیر حدی را تغییر دهیم که به عنوان ابعاد جعبه عمل میکنند. ما می خواهیم این مقادیر حد را طوری تغییر دهیم که پیچ ها در داخل جعبه قرار گیرند. در قسمت Output Entities، در لیست Include entity if، Entity inside را انتخاب کنید.
روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید و در واقع می بینیم که دامنه های بولت انتخاب شده اند.
میتوانیم یک کادر دوم یا یک انتخاب سیلندر برای انتخاب مرزهای سوراخ براکت اضافه کنیم، اما در عوض یک انتخاب صریح اضافه میکنیم. از لیست سطح، Boundary را انتخاب کنید، در پنجره گرافیکی، هر یک از مرزهای داخلی یکی از سوراخ های براکت را انتخاب کنید. اکنون میتوانیم کادر گروه توسط مماس پیوسته را علامت بزنید و بقیه مرزهای داخلی به طور خودکار انتخاب میشوند. در پنجره گرافیکی، یکی از مرزهای سوراخ دیگر را انتخاب کنید و هر چهار مرز اضافه خواهند شد.
اکنون که انتخاب هایی را به مدل خود اضافه کرده ایم، می توانیم عباراتی را برای اضافه کردن بار مرزی تعریف کنیم. از متغیرهای محلی می توان برای معرفی نام های کوتاه و توصیفی برای عبارات پیچیده تعریف شده در مدل استفاده کرد. به نوار بروید و در زیر تب Definitions روی Local Variables کلیک کنید. در جدول برای تعریف بار، به یک عبارت برای زاویه و شدت بار نیاز داریم، بنابراین موارد زیر را وارد می کنیم. از متغیر زاویه برای کمک به تعریف شدت بار استفاده می شود. این عبارت زاویه شعاعی را بر اساس موقعیت آن در امتداد مختصات z جهانی ارزیابی می کند . از آنجایی که جهت بارگذاری ما فقط در جهت های y و z منفی تغییر می کند . یا معادل 3 و 4ربعهای دکارتی، میتوانیم COMSOL Multiphysics را با محاسبه مماس معکوس چهار ربعی برای زاویه حل کنیم. این امکان محاسبه آرکتانژانت را در هر چهار ربع فراهم می کند. باری که سوراخ های براکت تجربه می کنند ماهیت سینوسی خواهد داشت، بنابراین از تابع سینوسی استفاده می شود. این قسمت آخر این عبارت اضافه می شود تا اطمینان حاصل شود که بار فقط به نیمه پایینی هر سوراخ براکت اعمال می شود.
COMSOL به طور پیشفرض از یک سیستم مختصات دکارتی جهانی برای مشخص کردن ویژگیها، بارها و محدودیتهای مواد در تمام رابطهای فیزیک و در تمام سطوح موجودات هندسی استفاده میکند. برای این مدل می خواهیم جهت بار اعمال شده به سوراخ های براکت را تعریف کنیم. از آنجایی که جهت بار حول محور منفی z می چرخد ، باید یک سیستم مختصات چرخشی ایجاد کنیم. در قسمت Coordinate Systems روبان، Rotated System را انتخاب کنید. این یک سیستم مختصات چرخشی را نسبت به سیستم جهانی ایجاد می کند که جهت بار اعمال شده به سوراخ های براکت را مشخص می کند. در زیر بخش زاویه های اویلر، در قسمت بتا “-theta0” را تایپ کنید.
COMSOL Multiphysics با یک مرورگر مواد همراه با خواص مواد داخلی برای مواد معمولی، و همچنین مواد برای کاربردهای خاص، و هر ماده ای که توسط شما، کاربر ایجاد شده است، ارائه می شود. افزودن کتابخانه مواد به کاربران اجازه می دهد تا به کل پایگاه داده مواد COMSOL Multiphysics دسترسی داشته باشند. در زیر گره Built-In، به پایین بروید تا Structural Steel را انتخاب کنید، روی Add to Component کلیک کنید و کار تمام شد. مطالب به طور خودکار به همه دامنه ها اختصاص داده شده است. در اینجا میتوانیم ویژگیهای ماده جدید اختصاص داده شده را ببینیم. شما آزاد هستید که مطالب خود را با استفاده از تابع New Material ایجاد کنید و همچنین می توانید از دکمه Add Material برای ماندن در رابط کاربری اصلی استفاده کنید.
تعریف فیزیک و شرایط مرزی در COMSOL تا حد امکان آسان شده است، تا به شما امکان میدهد روی آنچه مهم است، یعنی فیزیک تمرکز کنید. برای شروع به نوار بروید و روی تب Physics کلیک کنید. هر سطح انتخابی دارای ویژگی های فیزیکی مختلفی است که می تواند اعمال شود. با افزودن هر ویژگی فیزیکی و کلیک کردن روی دکمه Help در گوشه سمت راست بالای پنجره میتوانید در مورد هر ویژگی فیزیکی اطلاعات کسب کنید.
ابتدا میخواهیم محدودیتهایی را که بر روی ساختار اعمال میشود، تنظیم کنیم. از آنجایی که پیچهای نصب در جای خود ثابت هستند، روی دکمه Domains کلیک کرده و یک محدودیت ثابت اضافه کنید. در قسمت انتخاب دامنه از لیست انتخاب، کادر 1 را انتخاب کنید. این فرض را بر این میگذارد که پیچها سفت و محکم هستند و جابجاییها کاملاً محدود شدهاند. در ادامه می خواهیم بارهای وارد بر سازه را تعریف کنیم. از آنجایی که سطوح داخلی سوراخ های براکت بار پین را تجربه می کنند، در تب Physics، روی دکمه Boundaries کلیک کرده و Boundary Load را انتخاب کنید. Explicit 1 را برای انتخاب انتخاب کنید. در قسمت Coordinate System Selection، از لیست Coordinate System، Rotated System 2 را انتخاب کنید و جهت بار را با مقدار “theta0” تنظیم کنید. در قسمت Force بردار Load را با موارد زیر مشخص کنید.
هر زمان که یک مدل المان محدود می سازیم، ممکن است بخواهیم مش را سفارشی کنیم اگر پیش بینی کنیم که در برخی از قسمت های مدل به دقت بالاتری نیاز است. اگرچه میتوانیم این مدل را با مش پیشفرض حل کنیم، اما نحوه استفاده از تنظیمات مش را برای به دست آوردن مش ظریفتر در برخی مناطق نشان خواهم داد. در نوار، به زبانه Mesh رفته و Mesh 1 را انتخاب کنید. این هندسه براکت را با مش نرمال پیشفرض نشان میدهد. اگرچه المان ها دارای اضلاع مستقیم به نظر می رسند، اما مش پیش فرض مورد استفاده برای مسائل مکانیک جامد، مش مرتبه دوم یا درجه دوم است. این بدان معنی است که عناصر با هندسه منحنی مطابقت دارند.
ما یک مش دوم ایجاد می کنیم و مش را از طریق پارامترهای Element size سفارشی می کنیم. روی دکمه Add Mesh کلیک کنید. در پنجره تنظیمات مش، نوع توالی را به مش کنترل شده توسط کاربر تغییر دهید. این یک گره فرعی Size در زیر مش دوم ما ایجاد می کند. روی گره Size کلیک کنید. در قسمت Element Size بر روی Custom کلیک کنید. این به طور خودکار پنجره پارامترهای اندازه عنصر را گسترش می دهد که در آن پارامترهای عنصر را می توان تغییر داد. کاهش ضریب انحنا به “0.3” و بازسازی مش، باعث ایجاد یک توری ظریف در اطراف سوراخ های براکت می شود. با چرخش هندسه و زوم کردن روی یک پیچ، میتوانیم مش کاملاً درشت در اطراف این چهرههای منحنی کوچک ببینیم. پارامتر اندازه عنصر حداقل از تغییرات ناشی از ضریب انحنا جلوگیری می کند. آن را به “0.005” کاهش دهید و مش را دوباره بسازید. عناصر اطراف لبه های منحنی اکنون کوچکتر شده اند،
در صورت تمایل می توانید به اصلاح مش به صورت دستی ادامه دهید. همچنین میتوانید از Adaptive Mesh Refinement استفاده کنید تا در صورت تمایل، نرمافزار بهطور خودکار مش را اصلاح و درشت کند. برای اهداف این مثال، تنظیمات اندازه مش معمولی پیشفرض را ادامه میدهیم.
ما شبیه سازی خود را با ایجاد یک مش با استفاده از گزینه های پیش فرض ادامه می دهیم. به نوار بروید و در تب Home روی Build Mesh کلیک کنید. سپس، در بخش مطالعه، روی نماد عینک با عنوان Study 1 کلیک کنید. به تیک Generate default plots توجه کنید. این کار بر اساس فیزیک مکانیک سازه به صورت خودکار یک نمودار ایجاد می کند، بنابراین در این صورت نمودار استرس ایجاد می شود. برای حل یک مطالعه ثابت در COMSOL، به سادگی کلیک کردن بر روی Compute است. COMSOL Multiphysics همچنین یک دنباله حل کننده برای شبیه سازی بر اساس فیزیک و نوع مطالعه ثابت تعریف می کند.
بعد از اینکه یک مدل در COMSOL حل شد، نوبت به پس پردازش نتایج می رسد. ما به شما نشان خواهیم داد که چگونه به یک نمودار موجود اضافه کنید، یک نمودار جدید ایجاد کنید و اطلاعات را از نتایج استخراج کنید.
در اینجا تنش فون میزس را در براکت و تصویری اغراق آمیز از تغییر شکل می بینیم که بیشتر در بازوهای براکت رخ می دهد. همچنین می خواهیم نمودار را با بردارها تجسم کنیم تا بتوانیم توزیع فشار را در سطوح داخلی سوراخ های براکت بهتر ببینیم. در زبانه استرس متنی، در بخش افزودن طرح، روی سطح پیکان کلیک کنید. در پنجره تنظیمات Arrow Surface یک بخش Expression را مشاهده خواهید کرد. از منو، Solid Mechanics، Load و سپس Spatial load را انتخاب کنید. در بخش Coloring and Style، در قسمت Number of arrow، تنظیمات پیش فرض 200 است. با افزایش تعداد فلش ها، حجم بیشتری از فلش ها به شما داده می شود که اندازه کوچکتر، اما غلظت سنگین تر دارند، که به شما امکان می دهد بار را بهتر تجسم کنید. روی سوراخ های براکت ادامه دهید و عدد را آزمایش کنید تا خودتان این را ببینید. به نظر می رسد سه هزار بصری با کیفیت می دهد. اکنون می توانید ببینید که بار اعمال شده نمایش داده می شود.
در این مدل ما همچنین به هر جابجایی که در هندسه براکت رخ می دهد علاقه مند خواهیم بود. برای ایجاد نموداری که این را نشان می دهد، به نوار بروید و در تب Results در قسمت Plot Group، روی 3D Plot Group کلیک کنید. با این کار، برگه زمینهای 3D Plot Group 2 در نوار شما باز میشود. در قسمت Add Plot بر روی Surface کلیک کنید. نمودار کل جابجایی تجربه شده توسط براکت به طور خودکار ایجاد می شود. به نوار بروید و در زیر تب Results انواع ابعادی مختلف برای گروههای نمودار را مشاهده خواهید کرد. در این مثال ما به دو گروه طرح میپیوندیم، اما شما تقریباً نامحدود هستید، زیرا میتوانید هر تعداد گروه طرح سه بعدی، دو بعدی یا یک بعدی را برای هر نوع تجسم دلخواه بسازید.
از آنجایی که پیچهای نصب کاملاً محدود هستند، از یک ادغام حجمی روی آن حوزهها برای محاسبه دقیق نیروهای واکنش استفاده کنید. در تب Results روی More Derived Values کلیک کنید و Integration, Volume Integration را انتخاب کنید. در پنجره تنظیمات Volume Integration، قسمت Selection را پیدا کرده و از لیست Selection، کادر 1 را برای اضافه کردن پیچها انتخاب کنید. روی گزینه Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید و از منو، Solid Mechanics، Reactions، Reaction Force و جزء x نیروی واکنش را انتخاب کنید. روی دکمه ارزیابی کلیک کنید. بیایید این کار را برای اجزای Y و Z نیز تکرار کنیم. برای صرفه جویی در زمان می توانید عبارت را ویرایش کنید، در این مورد، با تغییر حرف جزء.
روی Evaluate کلیک کنید و نتایج در جدول 1 در زیر پنجره Graphics نشان داده شده است. آنها با آنچه ما انتظار داریم که باشند مطابقت دارند. کل بار در جهت y است در حالی که در جهت x و z ناچیز است .
اغلب لازم است چندین تکرار از یک مدل حل شود تا خواص بهینه برای طراحی آن پیدا شود. به جای تغییر دستی مقادیر پارامتر و حل هر بار، می توان از یک جارو پارامتریک استفاده کرد. یک جابجایی پارامتریک به شما امکان میدهد تا با جابجایی مقادیر پارامتر در محدودهای که کاربر تعریف میکند، مقادیر یک پارامتر را تغییر دهید.
افزودن یک جارو پارامتریک به این مدل ما را قادر می سازد تا زوایای بار مختلف را حل کنیم. به نوار بروید و در تب Study روی Parametric Sweep کلیک کنید. در پنجره Parametric Sweep، در قسمت Study Settings، روی دکمه علامت مثبت کلیک کنید تا جهت بار را به عنوان پارامتر اضافه کنید. در سمت راست آن، روی دکمه Range کلیک کنید تا محدوده این حرکت را مشخص کنید. از صفر درجه شروع می کنیم و بار را چهل و پنج درجه تا 180 درجه می چرخانیم. برای حل مجدد مدل روی Add و سپس دکمه Compute کلیک کنید.
ما به طور خودکار به طرح استرس خود باز می گردیم. در پنجره 3D Plot Group، در زیر Data، لیست مقدار پارامتر را مشاهده خواهید کرد. اکنون ما پنج راه حل مختلف را داریم که به زاویه بار بستگی دارد و می توانیم با انتخاب مقادیر مختلف و سپس کلیک کردن بر روی Plot، بین آنها جایگزین کنیم.
پس از انجام یک جارو پارامتریک، می توانید جدولی ایجاد کنید که راه حل های هر مقدار پارامتر را فهرست می کند. به این ترتیب می توانید راه حل های مختلف را به طور همزمان مشاهده کنید. در گره Volume Integration 1، روی Evaluate و سپس New Table کلیک کنید. نیروهای واکنش در مقادیر پارامترهای مختلف محاسبه می شوند. نیروی واکنش در جهت x همیشه صفر است، در حالی که جهت y و z بسته به زاویه بار را به اشتراک می گذارند.
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید