COMSOL Multiphysics结构力学应用

Subsurface Flow Module基于地下水流动分析地球物理现象在建的核废料储存库，用于在接下来的10 万年内储存乏燃料棒。

该模型模拟的情形是：燃料束套筒发生破裂，导致核废料通过周围的岩石裂隙发生渗漏，并回充到上方的隧道中。

饱和与变饱和渗流地下水流动模块面向需要仿真地下或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们，并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系，例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。

它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动，以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现象。

地下水流动模块可以模拟管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水，并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。

许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。

民事、采矿、石油、农业、化工、核能和环境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象，因为他们从事的行业会直接或间接（通过环境因素）影响我们生存的地球环境。

地下水渗流影响许多地球物理属性地下水流动模块内包含了许多专用的接口，用于模拟地下环境中的流动及其他现象。

作为物理接口，它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接口组合并直接耦合，或与COMSOL 模块套件中任何其他模块的物理接口组合并直接耦合。

例如，地下水流动模块的多孔弹性模型与岩土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。

融合地球化学反应速率和动力场COMSOL 使您可以在地下水流动模块物理接口中的编辑区域内灵活地输入任意公式，这对于在质量传递接口中定义地球化学反应速率和动力场非常有用。

但是，将这些物理接口与化学反应工程模块耦合将意味着，您可以通过该模块易用的物理接口定义化学反应，模拟多个多物质反应。

对于模拟核废料数千年间在其储存库中的扩散及多步反应过程，这两种模块的组合会很有用。

更多图片地下水流动的仿真物理接口地下水流动模块用于仿真多孔介质流动及其相关过程：多孔介质流动地下水流动模块的核心功能是模拟变饱和与完全饱和多孔介质中的流动。

COMSOL Multiphysics 结构力学模块介绍
结构力学模块专门用来计算结构的受力及变形情况。

例如，计算部件或子系统在载荷下的变形情况，对壳结构和桁架结构的分析功能等。

模块分析功能包括：
∙静力分析；
∙准静态瞬态分析；
∙动态分析；
∙固有频率分析；
∙频率响应分析；
∙线性屈曲分析；
∙弹塑性行为；
∙超弹性行为；
∙大变形分析；
∙参数研究。

基于材料破坏临界面理论，在后处理中可对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分析。

针对具体对象，结构力学模块可以和COMSOL Multiphysics模块或者其他分析模块任意组合，来分析实际问题中的多物理场现象。

应用领域：
∙声学－结构耦合
∙生物力学和生物工程学
∙屈曲分析
∙弹塑性材料和超弹性材料分析
∙机电设备
∙疲劳分析
∙流固耦合
∙断裂力学
∙多物理场接触
∙压电效应
∙聚合物力学
∙应力光学效应
∙热摩擦
∙热－结构耦合
∙粘弹性和热力蠕变
血管血流分析：血管在血流作用下发生变形
微型机器人足部三维模拟
曲轴模态分析
流-固耦合分析
血管支架展开过程的变形分析
粘弹性结构阻尼器。

COMSOL Multiphysics 结构力学模块介绍
结构力学模块专门用来计算结构的受力及变形情况。

例如，计算部件或子系统在载荷下的变形情况，对壳结构和桁架结构的分析功能等。

模块分析功能包括：
∙静力分析；
∙准静态瞬态分析；
∙动态分析；
∙固有频率分析；
∙频率响应分析；
∙线性屈曲分析；
∙弹塑性行为；
∙超弹性行为；
∙大变形分析；
∙参数研究。

基于材料破坏临界面理论，在后处理中可对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分析。

针对具体对象，结构力学模块可以和COMSOL Multiphysics模块或者其他分析模块任意组合，来分析实际问题中的多物理场现象。

应用领域：
∙声学－结构耦合
∙生物力学和生物工程学
∙屈曲分析
∙弹塑性材料和超弹性材料分析
∙机电设备
∙疲劳分析
∙流固耦合
∙断裂力学
∙多物理场接触
∙压电效应
∙聚合物力学
∙应力光学效应
∙热摩擦
∙热－结构耦合
∙粘弹性和热力蠕变
血管血流分析：血管在血流作用下发生变形
微型机器人足部三维模拟
曲轴模态分析
流-固耦合分析
血管支架展开过程的变形分析
粘弹性结构阻尼器。

COMSOL Multiphysics在医疗药物中的应用“通过对新产品进行设计和改进，计算机建模已经证明了它的价值。

”这是John Kalafut，一位MEDRAD研发部门(Indianola,Pennsylvania)的首席研究学者的经验之谈，他指出“COMSOL Multiphysics在我的整个职业生涯中陪伴着我，最初是在MEDRAD公司的系统工程方面，现在则是在R&D方面，甚至是用在那些多年后才能商业化量产的产品上”。

Kalafut作为一个医学工程师的经验显示了在很多时候我们都需要解决多物理场耦合模型的问题。

MEDRAD，一个每年有5亿美元销售额的成像诊断和治疗的医学设备生产商、销售商和服务提供商，它的业务主要集中在三个领域：心脑血管诊断，磁共振成像，X线断层摄影术。

公司在世界范围内有1700名员工，来自全世界的医师每年使用该公司的两千万个医疗程序。

公司的核心竞争力之一就是血管内流体输送，比如，如何供应精确的药剂量或者造影剂的量。

公司的研发部门为了保持公司每年15%的成长速度负责研究新型的技术，投资商业项目和医学应用。

公司的5名工程师利用COMSOL软件解决了大量的难题。

Kalafut说，“COMSOL Multiphysics是一个自然地选择，它可以给我们在一些新概念的研究上提供支持，对于所有的生物医学工程师而言这是帮助我们研究的相当有利的一个工具，它的完全的多场耦合仿真能力意味着我们几乎可以处理任何的多场耦合问题。

COMSOL Multiphysics让我们花费不多的钱来对复杂的耦合现象有一个快速的认识和研究。

”从建模的角度来看，很多公司的研究涉及到如何用最有效，最安全的方式去传输那些帮助诊断的流体到病人的身体中去。

在类似的研究中流体动力学发挥着一个重要的作用，这些模型包括热传导、静电学、化学工程、电磁学和其他物理方面的模型。

找到最好的峰值增强治疗如果CT扫描仪扫描完整人体的全部过程可以在很短时间内完成，那么传输速度将是影响其扫描速度提高的非常重要的因素（图1a）。

案例铁矿床的磁勘探磁性探测是用于特定铁矿石脉的地质勘探的一种方法，对于是由磁铁矿和赤铁矿组成的矿脉。

估算富铁层的质心位置和空间区域有助于减少开发的成本。

被动磁性探测依赖于对局部地磁分布异常的精确绘图——即该区域的自然静磁场对基于地球磁偶极子模型的预测值的偏离大小。

本案例研究了表面和空中探矿的地磁异常的估算结果。

地壳的磁场异常可能来源于富铁矿石被感应后或者残余磁化的磁场。

上图颜色图显示了相对于地壳表面铁矿石深度，而流线则为磁通量。

案例来源：模型库AC/DC_Module>General_Industrial_Applications>Magnetic Prospecting of Iron Ore Deposits冷坩埚冷坩埚是通过电磁场熔炼高纯度材料的有力工具，应用领域包括航空工业和医学假体中的钛合金加工、光电工业的硅净化等。

本案例首先总结了冷坩埚3D电磁模型的计算结果，然后计算了2D瞬态电磁-流体力学耦合模型。

该模型包含移动网格（ALE）技术，用以显示悬浮状态的液体形状（考虑电磁搅拌的影响）。

最后根据2D模型推断了3D模型的初步结果。

上图表示磁悬浮的应用——非接触式熔炼，同时考虑导电电流、电磁感应、热传导与磁悬浮等效应，用于制备钛合金、硅或纯玻璃等高纯度材料。

案例来源：Numerical Modeling of a Levitated Liquid in a Cold Crucible，COMSOL 2007年会微波烧结本案例数值模拟了在单独的电场和磁场的TE102空腔中铜粉末金属盒的微波加热，用于补充实验结果。

一般来说，盒子的热耗散可能是由于电阻加热、介电损耗或磁损失。

这些耗散机制分别耦合于盒子的有效导电率、有效复合介电常数、有效复合渗透系数。

通过在COMSOL中使用单独的电磁场测量值来联合各种损耗，模拟腔体中的物理场和加热趋势。

仿真结果表明与实验吻合得很好，并有助于提供粉末金属中微波场相互作用的自洽结果。

结构力学: 结构力学模型案例结构力学模型案例通过以下两个不同情况来介绍如何进行线性静态应力分析。

• 外边界的均布水平载荷• 重力载荷这个案例来自NAFEMS 基本系列 (参考文献. 1).锥形膜末端载荷第一个案例介绍厚度为0.1mm的膜的2D平面应力。

水平载荷沿右末端平均分布，为10 MN/m (也就是应力为 100 MPa)。

在左末端，x方向位移零。

左端的中间点固定在y方向。

模型使用以下材料属性：• 材料是各向同性的。

• 杨氏模量（弹性模量）为210·103 MPa。

• 泊松比为0.3。

在COMSOL Multiphysics中建模使用平面应力模式的静态分析，这样可以直接进行应力分析。

有限元模型使用拉格朗日二次三角单元。

为了确定结果已经收敛到基准值，细化网格然后再次计算结果。

结果点（0，2）处x方向应力求解值和基准目标值61.3 MPa吻合很好。

如果采用初始化网格，COMSOL Multiphysics 计算结果为61.41 MPa。

两次连续的细化网格后计算值分别为T 61.36 MPa 和 61.35 MPa。

图8-1: 均布末端载荷下x方向的应力分布模型库路径: COMSOL_Multiphysics/Structural_Mechanics/edge_load_2d 图形用户界面建模建模导航1 在空间维度下拉框中选择2D。

2 在应用模式树下，依次选择COMSOL Multiphysics>结构力学>平面应力>静态分析。

3 点击确定。

几何建模1 在绘图菜单下，选择指定对象>线。

2 在线对话框中，在x编辑框中输入0 4 4 0 0，在y编辑框中输入 0 134 0。

3 点击确定。

4 点击主工具栏的缩放至窗口大小按钮。

5 点击绘图工具栏的强迫成实体按钮。

定义的点就是约束点，也是应力基准值点。

物理量设定边界和点条件—载荷和约束求解域设定—材料属性6 在绘图菜单下，选择指定对象>点。

COMSOL Multiphysics在岩土工程中的应用摘要：目前,COMSOL Multiphysics作为全球第一款真正的多物理场耦合分析软件，由于其具有多场问题全耦合分析的强大功能，能够帮助科研人员得到更精确地模拟结果,被广泛适用于岩土工程研究的各个领域。

本文就COMSOL Multiphysics在岩土工程中采矿工程中的岩土工程问题、氯盐对混凝土耐久性影响的问题、基桩动测问题方面的应用作出相应简单的介绍。

阐述COMSOL Multiphysics软件在该领域的强大功能和适用性，说明COMSOL Multiphysics 在岩土工程中的应用。

1.多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Multiphysics)的介绍多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Multiphysics)是一个专业有限元数值分析软件包,是专为描述和模拟各种物理现象而开发的基于偏微分方程的多物理场模型仿真计算的有限元分析软件包。

COMSOL Multiphysics软件系统包括结构力学、化学、电磁学、地球科学、微机电、声学等模块。

在使用COMSOL Multiphysics软件的过程中,用户可以自己建立普通的偏微分方程形式,也可以使用COMSOLMultiphysics提供的特定的物理应用模型。

这些特定的物理应用模型包括预先设定好的模块和在一些特殊应用领域内已经通过微分方程和变量建立起来的用户界面。

通过COMSOL Multiphysics的多物理场功能,用户可以选择不同的模块,同时模拟任意物理场组合进行耦合分析。

为了便于比较, 在COMSOL Multiphysics结构力学模块中,用户可以完全利用COMSOL Multiphysics中无限制多物理场和基于偏微分方程的表达式进行分析,因此可以随意地将结构力学分析与其它物理现象如电磁场、流场和热传导等耦合起来进行分析。

SOL Multiphysics在采矿工程中的岩土工程问题中的应用伴随采矿工程中的岩土工程问题常常是复杂的多物理场耦合问题，其基本问题是岩体或土体的稳定、变形和渗流问题、煤层甲烷运移问题。

comsol 案例Comsol 案例。

在工程领域，计算机辅助工程仿真软件的应用越来越广泛。

COMSOL Multiphysics作为一款领先的多物理场仿真软件，被广泛应用于电磁、热传导、结构力学、流体力学等领域。

本文将介绍一个基于COMSOL Multiphysics的案例，以展示该软件在实际工程问题中的应用。

我们选取了一个热传导问题作为案例，以展示COMSOL Multiphysics在热传导领域的应用。

在这个案例中，我们需要分析一个复杂形状的导热体在不同热边界条件下的温度分布情况。

首先，我们需要建立该导热体的几何模型，然后设置热边界条件和材料属性，最后进行数值求解，得到温度场的分布情况。

在COMSOL Multiphysics中，建立几何模型可以通过几何建模模块来实现。

用户可以通过绘制几何形状、操作几何体等方式，快速建立复杂的几何模型。

在我们的案例中，我们需要考虑导热体的复杂形状，因此需要充分利用COMSOL Multiphysics提供的几何建模功能，精确地重现实际工程中的几何形状。

在几何模型建立完成后，我们需要设置热边界条件和材料属性。

COMSOL Multiphysics提供了丰富的物理场模块，用户可以根据实际问题选择相应的物理场模块进行建模。

在我们的案例中，我们需要选择热传导模块，然后设置热边界条件和材料属性。

COMSOL Multiphysics提供了直观的界面和丰富的选项，用户可以方便地设置各种热边界条件和材料属性，以满足实际工程问题的需求。

最后，我们进行数值求解，得到温度场的分布情况。

COMSOL Multiphysics采用有限元方法进行数值求解，能够精确地求解各种复杂的多物理场耦合问题。

在我们的案例中，通过COMSOL Multiphysics进行数值求解，我们可以得到导热体在不同热边界条件下的温度分布情况，从而为工程实践提供重要的参考。

通过上述案例，我们可以看到COMSOL Multiphysics在热传导领域的强大应用能力。

COMSOL软件介绍与应用COMSOL Multiphysics是一种基于有限元方法的多物理场仿真软件。

它能够模拟和分析不同物理场（如结构力学、电磁场、流体力学、传热、化学反应等）之间的相互作用，并预测或优化系统的行为和性能。

COMSOL具有强大的建模和求解能力，广泛应用于科学研究、工程设计和产品开发等领域。

COMSOL软件的核心是有限元方法，它将复杂的物理问题离散为有限个简单的单元，并在每个单元上近似求解控制方程，然后将这些单元组合起来以得到整个问题的解。

COMSOL的通用性使得用户能够解决各种物理学问题，只需要选择适当的模块和相应的物理学接口。

1.结构力学模块：用于分析和优化结构的强度和刚度，例如材料破裂、弯曲、振动等。

2.电磁模块：用于预测电场、磁场、电磁波传播和电磁感应等现象，适用于电子器件、天线设计等。

3.流体力学模块：用于模拟液流、气流、等离子体流动以及相应的湍流、传热和质量运输过程。

广泛应用于航空航天、汽车工程、生物医学等领域。

4.传热模块：用于热传导、辐射传热、对流传热等问题的模拟和优化。

在能源系统、电子元件散热设计等领域具有重要应用价值。

5.化工反应工程模块：用于模拟和优化化学反应、质量传输、热力学等，可应用于催化剂设计、化学反应器等。

6.多物理场耦合模块：用于模拟和优化涉及多个物理场耦合的问题，例如热机耦合、电动机耦合。

COMSOL的应用领域非常广泛。

在工程设计中，可以用于优化产品的性能，验证设计的可行性和安全性。

在科学研究中，可以用于模拟和预测物理现象，探索新的理论和机制。

在教育领域，可以用于学生的实践教学和科学研究。

总之，COMSOL Multiphysics是一款功能强大的多物理场仿真软件，可应用于各种领域的科学研究、工程设计和产品开发。

它能够帮助用户解决复杂的物理问题，优化系统的性能，并提供直观和方便的用户界面和后处理功能。

案例1、电化学专题电化学是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学，包含电泳，电渗、电化学反应等。

COMSOL Multiphysics提供专业的应用模式来分析带电料子在溶液中的迁移、对流和扩散，电化学反应等，广泛应用于HPLC、电解工业、电化学工业等。

剃须刀刀罩的电化学加工（Philips公司）高档电动剃须刀的刀罩要求很精密，常采用电化学方法加工。

其中包含可控电化学分解的阳极（刀罩）、预成型的阴极（模具）和电解液。

电解液中不仅含有金属离子，还含有副产物气体，后者会增加表面电解质的库仑力，必须通过调整电势来即时地进行补偿；由于反应热和电阻热，电解液的温度应该得到控制；由温升引起的热应力会影响刀罩的强度；求解域会随着电解过程而发生变化。

种种现象表明这是个非常复杂的多物理场问题。

利用COMSOL Multiphysics的电磁、化工、结构力学模块中各种应用模式的直接耦合，可以得到很好的描述。

电渗泵中的流场分布(COMSOL模型库)当一种极性流体（例如水）和一种固体（例如玻璃）接触时，固体表面将产生电荷，并影响流体中的电荷分布，形成一种双电层。

靠近流道壁的电荷被强拉至表面，如果加入电场则可以改变流体内部的电荷分布，驱动流体流动。

这个电渗流泵就是利用了这种现象（A. Brask 等人和Y. Takamura 等人），利用COMSOL Multiphysics提供的电渗流模型，完美地分析了其中的Stokes流和传导介质之间的耦合关系。

模型库>MEMS模块>Microfluidics Models>electroosmotic micropump 2d燃料电池专题燃料电池具有清洁、高效等优点，已广泛应用于便携式电子产品，汽车等运输交通工具，住宅供电，以及社会各方面的供电系统。

COMSOL Multiphysics是燃料电池数值模拟研究领域中最为成熟的商业软件之一，已成为国内外许多研究单位必备研究工具。

COMSOL Multiphysics 岩土力学模块介绍
岩土力学模块是作为结构力学模块的一个特殊附加模块，主要用于模拟一些岩土工程应用，比如隧道、挖掘、边坡稳定性和支护结构。

模块中设置的专门的接口以研究塑性问题、变形问题、土壤和岩石的失效问题、以及它们与混凝土和人造结构间的交互作用问题。

模块中也提供了不同土壤材料本构：Cam-Clay, Drucker-Prager, Mohr-Coulomb, Matsuoka-Naka, and Lade-Duncan。

除了内置的塑性模型，用户还可以借助于COMSOL Multiphysics提供的通用的方程接口创建屈服函数。

此外，计算温度场和其他场数值的关系也能被融合到材料的定义中。

岩土力学模块还为混凝土和岩石的模拟提供了非常强大的工具：Willam-Warnke, Bresler-Pister, Ottosen, 和Hoek-Brown都被作为内置参数供用户选择，更可被应用和扩展于更通用的脆性材料上。

此外，该模块能方便的与其他模块功能，如多孔介质流，孔隙弹性，以及基体模块的溶质传输功能等结合使用。

应用领域：
•混凝土模型
•混凝土和脆性材料
•土壤模型
•延展性材料和饱和土
•河堤
•挖掘
•基础
•Hoek-Brown 岩石模型
•Matsuoka-Nakai and Lade-Duncan土壤模型
•Modified Cam-Clay土壤模型
•核废料装置
•支撑结构和加强
•道路
•板材
•边坡稳定性
•土壤,岩土模拟
•隧道
•用户自定义土壤,岩石和水泥土材料•Willam-Warnke混凝土模型。