comsol实例学习壳与梁壳和梁连接

1、在 COMSOL Multiphysics 5.2a 版本中创建壳和梁连接此模型基于 COMSOL Software License Agreement 5.2a所有商标均为其各自所有者的。请参见。/trademarks。简介许多工程结构由薄且细长的组件，整个固体模型中存在大量极小的单元。对于这样的结构，如果改用壳或梁单元，可以将度的数量减少几个数量级。在这个教学及验证案例中，您将了解如何在不同的情况下连接梁和壳单元，并将所得结果与同一几何的固体模型进行比较。模型定义实体几何如图 1 所示。板为绿色，纵向加强筋为红色， H 形黄色，中心蓝色。图 1：实体几何图 2 显示采用壳和梁表示的相应几何

2、结构。请注意，两个纵向梁是采用不同方法建模的。在其中一侧，梁的实际中心线创建在板下方，而在另一侧，梁与壳边界共用一条2 | 壳和梁连接 边。在后一种情况中，输入梁的实际位置作为偏移属性。梁上还有两处点的连接：一个点连接到边界，另一个点连接到壳的边。图 2：壳和梁的几何结构几何结构 板的尺寸：2.0 m x 0.4 m板厚：10 mm纵向加强筋的横截面：40 x 30 mm垂直 H 形梁的横截面：70 x 60 mm，腹板和翼缘的厚度为 8 mm。中心梁的横截面：50 x 10 mm材料 材料为 COMSOL 材料库中的结构钢，包含以下数据杨氏模量 E 200 GPa泊松比 0.33约束 板的端

3、截面固定。3 | 壳和梁连接 载荷 板的顶部施加了 5 kPa 的均匀压力。在 H 形梁的顶部，施加了 500 N 正 X 方向的力。在中心梁的末端，施加了 50 N 负 Z 方向的力。结果与固体力学模型上的度数为 270000，而壳和梁模型上的度数为 18000。而且，固体力学模型上的网格还有些粗化，因为薄零件在厚度方向上只使用了一个单元。如果度数不能再增加数量级，那么在固体模型上创建精度更高的网格还有一定难度。由此可见，在这类结构中使用壳或梁建模带来的潜在好处是模型的尺寸大大减小了。图 3 为固体模型中的 von Mises 应力与壳和梁模型所得结果的比较。两个结果非常一致。图 3：固体模

4、型与壳 - 梁模型中的应力分布图 4 比较了固体力学模型与梁在纵向加强筋方向上的应力。在固体模型中，选定了最外侧的边，因为此处的应力最大。梁上的有效应力始终计算的是横截面上应力最大处的应力。4 | 壳和梁连接 同样地，两个结果非常一致。值得一提的是板两侧梁上的比较结果。在梁与壳共用一条边的一侧，梁上的网格与壳上的网格自动匹配，而另一侧并非如此。两个结果在网格质量上没有任何区别。图 4：加强筋方向上的应力比较建模注意事项COMSOL壳和梁之间使用了内置耦合。为此，在 “梁”接口中添加一个壳连接节点，在 “壳”接口中添加一个对应的梁连接节点。以下为此模型中壳和梁之间所有可能的连接类型：纵向加强型梁

5、连接到板的长边上。这里采用了两种不同的建模方案。在板一侧，一条位于梁中心的边表示梁，而在板另一侧，壳与梁共用一条边，梁的实际位置由梁连接节点中的偏移属性指定。H 形梁与板垂直。其端点通过一个表达式连接到壳表面上具有代表性的区域，此表达式是坐标的函数。仅连接以梁端部为中心的 70 x 60 mm 矩形区域。可以方便地修改此表达式，仅连接实际的 H 形梁，并预留一个焊缝厚度。另用距离准则，即连接已给定直径的圆。法就是使将中心梁模拟为用于教学指导。在实际应用中，更简单的做法是将其视为板的延伸。梁的端点连接到壳的边。边上与端点连接的部分指定梁的宽度。5 | 壳和梁连接 App 库路径：Structur

6、al_Mechanics_Module/Tutorials/s_beam_connection建模操作说明从文件菜单中选择新建。新建在新建窗口中，单击模型向导。模型向导12345678910在模型向导窗口中，单击三维。在选择物理场树中选择结构力学 固体力学 (solid)。单击添加。在选择物理场树中选择结构力学 壳 (s单击添加。)。在选择物理场树中选择结构力学 梁 (beam)。单击添加。单击研究。在选择研究树中选择所选物理场接口的预设研究 稳态。单击完成。全局定义参数1234在主屏幕中单击参数。在“参数”的设置窗口中，定位到参数栏。单击从文件加载。浏览到该 App 的 “App 库”文件夹

7、，然后双击文件s_beam_connection_parameters.txt。以下部分介绍从头开始创建几何的逐步说明。如果不想自己构建几何结构，可以加载已的模型的几何序列。在模型开发器窗口的组件 1 下，右键单击几何 1 并选择序列，浏览至此示例的 App 库文件夹，双击文件s_beam_connection.mph。请注6 | 壳和梁连接 意，如果加载几何序列，会对定义几何的所有参数生成副本，不过名称会稍有不同。这样做是为了避免歧义。然后可以继续参阅下文的几何绘制之后的操作说明，开始指定各个组件的材料。几何 1如果需要从头开始构建几何结构，执行下面的操作。先构建实体几何。长方体 1 (bl

8、k1)1 在几何中单击长方体。在“长方体”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。在宽度文本框中键入 “lp”。在深度文本框中键入 “wp”。在高度文本框中键入 “tp”。长方体 2 (blk2)1 在几何中单击长方体。在“长方体”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。在宽度文本框中键入 “lp”。在深度文本框中键入 “wbl”。在高度文本框中键入 “hbl”。定位到位置栏。在 z 文本框中键入“-hbl”。单击构建所有对象。长方体 3 (blk3)右键单击长方体 2 (blk2) 并选择生成副本。在“长方体”的设置窗口中，定位到位置栏。在 y 文本框中键入 “wp-wbl”。单击构建所有对象。长方体

9、4 (blk4)在几何中单击长方体。1234在“长方体”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。在宽度文本框中键入 “lbc”。在深度文本框中键入 “wbc”。7 | 壳和梁连接 5678在高度文本框中键入 “tp”。定位到位置栏。在 x 文本框中键入“lp”。在 y 文本框中键入 “(wp-wbc)/2”。单击构建所有对象。工作平面 1 (wp1)1234在几何中单击工作平面。在“工作平面”的设置窗口中，定位到平面定义栏。在 z- 坐标文本框中键入 “tp”。单击显示工作平面。平面几何在图形中单击缩放到窗口大小按钮。矩形 1 (r1)12345678在工作平面中单击体素，然后选择矩形。在“矩形”的

10、设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。在宽度文本框中键入 “hbh-2*tbh”。在高度文本框中键入 “tbh”。定位到位置栏。从基准列表中选择中心。在 xw 文本框中键入“lp/2”。在 yw 文本框中键入“wp/2”。在工作平面中单击全部构建。矩形 2 (r2)12345678在工作平面中单击体素，然后选择矩形。在“矩形”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。在宽度文本框中键入 “tbh”。在高度文本框中键入 “wbh”。定位到位置栏。从基准列表中选择中心。在 xw 文本框中键入“lp/2-hbh/2+tbh/2”。在 yw 文本框中键入“wp/2”。在工作平面中单击全部构建。矩形 3 (r3)1

11、右键单击矩形 2 (r2) 并选择生成副本。8 | 壳和梁连接 234在“矩形”的设置窗口中，定位到位置栏。在 xw 文本框中键入“lp/2+hbh/2-tbh/2”。在工作平面中单击全部构建。工作平面 1 (wp1)在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 几何 1 节点下，单击工作平面 1 (wp1)。拉伸 1 (ext1)123在几何中单击拉伸。在“拉伸”的设置窗口中，定位到到面的距离栏。在表中输入以下设置：距离 (m)lbh4 单击构建所有对象。移动实体，创建壳 - 梁结构。移动 1 (mov1)123在几何中单击变换，然后选择移动。在“移动”的设置窗口中，定位到位移栏。在 y 文本

12、框中键入 “wp*1.5”。工作平面 2 (wp2)1 在几何中单击工作平面。2 在“工作平面”的设置窗口中，单击显示工作平面。矩形 1 (r1)1234在工作平面中单击体素，然后选择矩形。在“矩形”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。在宽度文本框中键入 “lp”。在高度文本框中键入 “wp”。多边形 1 (pol1)1234在工作平面中单击体素，然后选择多边形。在“多边形”的设置窗口中，定位到坐标栏。在 xw 文本框中键入“lp lp+lbc”。在 yw 文本框中键入“wp/2 wp/2”。9 |壳和梁连接 56789在图形中单击缩放到窗口大小按钮。在模型开发器窗口中，单击几何 1。在几何中单

13、击体素，然后选择多边形。在“多边形”的设置窗口中，定位到坐标栏。在 x 文本框中键入 “0 lp”。在 y 文本框中键入 “wp-wbl/2 wp-wbl/2”。在 z 文本框中键入 “-(tp+hbl)/2 -(tp+hbl)/2”。右键单击多边形 1 (pol1) 并选择构建选定对象。多边形 2 (pol2)123456在几何中单击体素，然后选择多边形。在“多边形”的设置窗口中，定位到坐标栏。在 x 文本框中键入 “lp/2 lp/2”。在 y 文本框中键入 “wp/2 wp/2”。在 z 文本框中键入 “0 lbh+tp/2”。右键单击多边形 2 (pol2) 并选择构建选定对象。显式选

14、择 1 (sel1)1234在几何中单击选择，然后选择显式选择。在“显式选择”的设置窗口中，在文本框中键入 “壳”。定位到选择实体栏。从几何实体层列表中选择边界。在对象 wp2 中，选择 “边界” 1。显式选择 2 (sel2)1234567在几何中单击选择，然后选择显式选择。在“显式选择”的设置窗口中，在文本框中键入 “H 梁”。定位到选择实体栏。从几何实体层列表中选择边。在对象 pol2 中，选择 “边” 1。定位到产生的选择栏。单击新建。在新建累积选择单击确定。框中，在名称文本框中键入 “梁”。显式选择 3 (sel3)1 在几何中单击选择，然后选择显式选择。2 在“显式选择”的设置窗口

15、中，在文本框中键入 “刚性”。10 | 壳和梁连接 3456定位到选择实体栏。从几何实体层列表中选择边。在对象 pol1 中，选择 “边” 1。在对象 wp2 中，选择 “边” 2。定位到产生的选择栏。从贡献列表中选择梁。显式选择 4 (sel4)123456在几何中单击选择，然后选择显式选择。在“显式选择”的设置窗口中，在文本框中键入 “突出的梁”。定位到选择实体栏。从几何实体层列表中选择边。在对象 wp2 中，选择 “边” 6。定位到产生的选择栏。从贡献列表中选择梁。在图形中单击缩放到窗口大小按钮。至此，几何建模就完成了。阅读几何序列后继续下面的操作如果已从文件加载了几何序列，则继续执行下

16、面的操作。在域、边界和边所在的各个维度上，物理场接口都已激活，因此可以向其添加材料。由于同一种材料适用于所有的物理场，因此先添加 “结构钢”作为全局材料，随后在域、边界和边级别使用材料。11 | 壳和梁连接 添加材料1 在主屏幕中，单击添加材料以打开添加材料窗口。转到添加材料窗口。在模型树中选择内置材料 Structural steel。4 在窗口中单击添加到组件分割按钮的右端。5 从菜单中选择全局材料。6 在主屏幕中，单击添加材料以关闭添加材料窗口。材料在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 节点下，右键单击材料并选择材料。材料2 (mnk2)1234右键单击组件 1 (comp1) 材

17、料并选择材料。在“材料”的设置窗口中，定位到几何实体选择栏。从几何实体层列表中选择边界。从选择列表中选择壳。材料3 (mnk3)1234右键单击材料并选择材料。在“材料”的设置窗口中，定位到几何实体选择栏。从几何实体层列表中选择边。从选择列表中选择梁。添加 “固体力学”接口的物理场设置。固体力学 (SOLID) 固定约束 11 在物理场中单击边界，然后选择固定约束。2 选择“边界” 2、 5 和 11。边界载荷 112345在物理场中单击边界，然后选择边界载荷。选择“边界” 20、 26 和 32。在模型开发器窗口中，单击边界载荷 1。在“边界载荷”的设置窗口中，定位到力栏。从载荷类型列表中选

18、择总力。12 | 壳和梁连接 6 将 Ftot 矢量指定为边界载荷 212345在物理场中单击边界，然后选择边界载荷。选择“边界” 46。在“边界载荷”的设置窗口中，定位到力栏。从载荷类型列表中选择总力。将 Ftot 矢量指定为边界载荷 31234在物理场中单击边界，然后选择边界载荷。选择“边界” 8。在“边界载荷”的设置窗口中，定位到力栏。将 FA 矢量指定为添加 “壳”接口的物理场设置。壳 (S )12345在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 节点下，单击壳 (s在“壳”的设置窗口中，定位到边界选择栏。单击清除选择。从选择列表中选择壳。定位到厚度栏。在 d 文本框中键入 “tp”。

19、)。13 | 壳和梁连接 0 x0y-pz0 x0y-FczFhx0y0z固定约束 11 在物理场中单击边，然后选择固定约束。2 选择“边” 1。面载荷 11234在物理场中单击边界，然后选择面载荷。在“面载荷”的设置窗口中，定位到边界选择栏。从选择列表中选择壳。定位到力栏。将 FA 矢量指定为添加 “梁”接口的物理场设置。梁 ( B E A M )1234在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 节点下，单击梁 (beam)。在“梁”的设置窗口中，定位到边选择栏。单击清除选择。从选择列表中选择梁。截面数据 112345在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 梁 (beam) 节点下，单

20、击截面数据 1。在“截面数据”的设置窗口中，定位到截面定义栏。从列表中选择公用段。在 hy 文本框中键入“hbl”。在 hz 文本框中键入 “wbl”。断面取向 11234在模型开发器窗口中展开截面数据 1 节点，然后单击断面取向 1。在“断面取向”的设置窗口中，定位到断面取向栏。从取向方法列表中选择取向矢量。将 V 矢量指定为14 | 壳和梁连接 0X0 x0y-pz5 在模型开发器窗口中，单击梁 (beam)。截面数据 2123456789在物理场中单击边，然后选择截面数据。在“截面数据”的设置窗口中，定位到边选择栏。从选择列表中选择 H 梁。定位到截面定义栏。从列表中选择公用段。从断面类

21、型列表中选择 H- 型。在 hy 文本框中键入“hbh”。在 hz 文本框中键入 “wbh”。在 ty 文本框中键入“tbh”。在 tz 文本框中键入 “tbh”。断面取向 11234在模型开发器窗口中展开截面数据 2 节点，然后单击断面取向 1。在“断面取向”的设置窗口中，定位到断面取向栏。从取向方法列表中选择取向矢量。将 V 矢量指定为截面数据 3123456在物理场中单击边，然后选择截面数据。在“截面数据”的设置窗口中，定位到边选择栏。从选择列表中选择突出的梁。定位到截面定义栏。从列表中选择公用段。在 hy 文本框中键入“tp”。在 hz 文本框中键入 “wbc”。断面取向 11 在模型

22、开发器窗口中展开截面数据 3 节点，然后单击断面取向 1。15 | 壳和梁连接 1X0Y0Z0Y1Z234在“断面取向”的设置窗口中，定位到断面取向栏。从取向方法列表中选择取向矢量。将 V 矢量指定为点载荷 11234在物理场中单击点，然后选择点载荷。选择“点” 27。在“点载荷”的设置窗口中，定位到力栏。将 FP 矢量指定为点载荷 21234在物理场中单击点，然后选择点载荷。选择“点” 58。在“点载荷”的设置窗口中，定位到力栏。将 FP 矢量指定为5在图形中单击缩放到窗口大小按钮。添加梁和壳之间的耦合。壳连接 11 在物理场中单击边，然后选择壳连接。2 选择“边” 2。壳连接 21 在物理

23、场中单击边，然后选择壳连接。16 | 壳和梁连接 0 x0y-FczFhx0y0z0X0Y1Z2 选择“边” 3。壳连接 31 在物理场中单击点，然后选择壳连接。2 选择“点” 26。壳连接 41 在物理场中单击点，然后选择壳连接。2 选择“点” 41。壳 (S )在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 节点下，单击壳 (s)。梁连接 1123456在物理场中单击边，然后选择梁连接。在“梁连接”的设置窗口中，定位到梁连接栏。从列表中选择壳连接 1 (beam)。选择“边” 2。从偏移定义列表中选择偏移矢量。将 d0 矢量指定为梁连接 212345在物理场中单击边，然后选择梁连接。选择“边”

24、 4。在“梁连接”的设置窗口中，定位到梁连接栏。从列表中选择壳连接 2 (beam)。从边类型列表中选择平行。梁连接 31234在物理场中单击边界，然后选择梁连接。选择“边界” 1。在“梁连接”的设置窗口中，定位到梁连接栏。从壳连接列表中选择壳连接 3 (beam)。17 | 壳和梁连接 0Xwbl/2Y-(tp+hbl)/2Z从连接区域列表中选择连接准则。在关联文本框中键入“(abs(x-lp/2)hbh/2)*(abs(y-wp/2) 边。边 1选择 “边” 2、 3、 68 和 69。分布 11234右键单击组件 1 (comp1) 网格 1 边 1 并选择分布。选择“边” 2 和 3。

25、在“分布”的设置窗口中，定位到分布栏。在单元数文本框中键入“30”。边 1右键单击边 1 并选择尺寸。尺寸 1选择“边” 68 和 69。在“尺寸”的设置窗口中，定位到单元尺寸栏。单击定制按钮。定位到单元尺寸参数栏。选中最大单元尺寸复选框。在关联文本框中键入“wbc/2”。12345三角形网格 1在模型开发器窗口中，右键单击网格 1 并选择选择“边界” 1。12操作 三角形网格。18 | 壳和梁连接 尺寸 1123456789右键单击组件 1 (comp1) 网格 1三角形网格 1 并选择尺寸。在“尺寸”的设置窗口中，定位到几何实体选择栏。从几何实体层列表中选择点。选择“点” 26。定位到单元

26、尺寸栏。单击定制按钮。定位到单元尺寸参数栏。选中最大单元尺寸复选框。在关联文本框中键入“hbh/10”。选中最大单元增长率复选框。在关联文本框中键入“1.1”。三角形网格 1右键单击三角形网格 1 并选择尺寸。尺寸 21234在“尺寸”的设置窗口中，定位到单元尺寸栏。从预定义列表中选择极细化。单击构建选定对象。在模型开发器窗口中，右键单击网格 1 并选择四面体网格。四面体网格 1在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 网格 1 节点下，右键单击寸。四面体网格 1 并选择尺尺寸 1123在“尺寸”的设置窗口中，定位到单元尺寸栏。从预定义列表中选择较细化。单击全部构建。不同的结构力学接口应当同时求解，因此将默认的分离式求解器替换为全耦合求解器。研究 1解 1 (sol1)1234在研究中单击显示默认求解器。在模型开发器窗口中展开解 1 (sol1) 节点。在模型开发器窗口中展开研究 1 求解器配置 解 1 (sol1) 稳态求解器 1 节点。右键单击研究 1 求解器配置 解 1 (sol1) 稳态求解器 1 并选择全耦合。19 | 壳和梁连接 5 在研究中单击计算。每个物理场接口都将提供各自的默认绘图。下面，在一个绘图中比较所有结果。结果表