COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

Structural Mechanics Module Updates

Structural Mechanics Module 사용자를 위해 COMSOL Multiphysics® 버전 5.3은 응력 선형화, 볼트 하중 해석 단계, 강체 이동 제거 경계 조건 기능을 제공합니다. 모든 새로운 기능과 설정을 아래의 내용에서 확인하시기 바랍니다.

Stress Linearization Evaluation


응력 선형화는 후처리 기능입니다. 일정한 멤브레인 응력 장이나 선형으로 변화되는 굽힘 응력장으로 표현되는 박막에서 응력을 표현하는 기능입니다. 이 기능은 압력 관 해석에 공통으로 사용되며, ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section III, Division 1, Subsection NB 에 사용되는 표준입니다. 다른 응용 분야로는 콘크리트 구조에서의 강화재 계산이나 다양한 용접 해석 등을 내포하고 있습니다.
새로 나온 Stress Linearization 후처리 기능은 응력을 선형화 분석 하고자 하는 선에 적용 가능합니다. 멤브레인, 굽힘, 최대 응력을 표시하며, 응력 강도는 각 응력 분류 선에서 계산됩니다.

응력 선형화 기법을 사용한 이후 표시된 세 개의 응력 분류 선. 해석한 플랜지의 면에 있는 튜브로 표시되는 선은 색깔로 표시한 값을 지닌 최대 응력 강도를 나타냅니다. 표면은 3차원에서 폰 미세스 응력을 표시 합니다.

응력 선형화 기법을 사용한 이후 표시된 세 개의 응력 분류 선. 해석한 플랜지의 면에 있는 튜브로 표시되는 선은 색깔로 표시한 값을 지닌 최대 응력 강도를 나타냅니다. 표면은 3차원에서 폰 미세스 응력을 표시 합니다.

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Application Library path for an example using the Stress Linearization postprocessing technique:

Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

Dedicated Study Step for Bolt Pretension

장력이 가해진 볼트로 구성된 모델에서 먼저 해석되는 새로운 해석 단계가 추가되었습니다. Bolt Pre-Tension 해석 단계는 볼트의 변형을 미리 계산합니다. 이때 다른 해석 단계는 고려 하지 않습니다. 이 해석과 동시에 사용하면 볼트 계산과 관련있는 자유도(DOF, degrees of freedom)에 대해 더 이상 수동으로 볼트 해석을 설정할 필요가 없습니다.

장력이 가해진 볼트로 고정된 브라켓 설계 형상. 첫 번째 해석에는 Bolt Pre-Tension 해석이 포함 되어 있습니다. 두 번째 해석에서는 정해석을 수행합니다.

장력이 가해진 볼트로 고정된 브라켓 설계 형상. 첫 번째 해석에는 Bolt Pre-Tension 해석이 포함 되어 있습니다. 두 번째 해석에서는 정해석을 수행합니다.

Application Library path for an example using the Bolt Pre-Tension study step:

Structural_Mechanics_Module/Tutorials/bracket_contact

Automatic Detection of Bolts in Symmetry Planes and Handling Their Modeling Conditions

대칭면으로 잘린 장력이 가해진 볼트가 자동적으로 선택 됩니다. 잘린 볼트의 주어진 선장력 힘과 계산된 볼트의 힘 모두 마치 전체 볼트인 것처럼 해석됩니다. 따라서 모델 구성을 대단히 단순화 시킬 수 있습니다.

대칭면으로 잘린 장력이 가해진 나사의 응력 결과. 대칭면은 자동 선택되고 전체 볼트로 가정하고 계산합니다. 대칭면으로 분리된 나사를 따로 정의 할 필요가 없습니다. 모델에 포함된 모든 나사는 동일한 조건이 부여 됩니다.

대칭면으로 잘린 장력이 가해진 나사의 응력 결과. 대칭면은 자동 선택되고 전체 볼트로 가정하고 계산합니다. 대칭면으로 분리된 나사를 따로 정의 할 필요가 없습니다. 모델에 포함된 모든 나사는 동일한 조건이 부여 됩니다.

Application Library path for an example of automatically detecting bolts in symmetry planes:

Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/tube_connection

Automatic Suppression of Rigid Body Motion

하중에 따라서 평형 조건이 성립되는 경우에 필요한 구속조건의 실체적인 위치는 관련이 없습니다. 평형 조건 상태의 모델은 다음과 같은 제약 조건을 만족 시켜야만 계산됩니다. 제약 조건은 강체 이동이 없는 상태와 반력이 발생하지 않은 조건입니다. 새로운 Rigid Motion Suppression 조건은 이러한 조건에 사용됩니다. 이 기능은 자동적으로 구조 모델이나 물리 인터페이스를 기반으로 적절한 구속 조건이 설정 됩니다.

Rigid Motion Suppression 조건은 아래의 물리 설정에서 사용 가능합니다:

  • Solid Mechanics(3차원, 2차원, 2차원 축대칭)
  • Shell(3차원)
  • Plate(2차원)
  • Membrane(3차원, 2차원)
  • Beam(3차원, 2차원)
  • Truss(3차원, 2차원)
  • Multibody Dynamics(3차원, 2차원)
열팽창으로 가열된 기판이 변형된 예제 입니다. Rigid Motion Suppression 조건을 적용하면 정확한 해를 위한 적절한 구속 조건이 모델에 적용됩니다. 폰 미세스 응력에 대한 결과 입니다.

열팽창으로 가열된 기판이 변형된 예제 입니다. Rigid Motion Suppression 조건을 적용하면 정확한 해를 위한 적절한 구속 조건이 모델에 적용됩니다. 폰 미세스 응력에 대한 결과 입니다.

Application Library path for an example of rigid body motion suppression:

Structural_Mechanics_Module/Thermal-Structure_Interaction/heating_circuit

Computations of Safety Factors

Linear Elastic Material Nonlinear Elastic Material 노드에 Safety 속성을 덧붙여 구조의 물질 사용 연구, 특히 안전 계수에 대한 연구를 수행할 수 있습니다. 안전 계수는 사용자 식을 포함하여 많은 수의 다른 등방성, 직교성, 비등방성 파괴 기준을 고려해 계산됩니다. Safety 노드를 추가하면 후처리에서 안전 계수, 안전 여유, 파괴 및 손상 지수에 대한 변수를 사용할 수 있습니다.

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Linear Buckling Analysis for the Beam Interface


Beam 인터페이스에서 선형화된 좌굴 해석을 진행 할 수 있습니다. 압축 상태의 다양한 프레임 구조에서 임계 하중을 해석합니다. 추가적으로 다중 혹은 혼합된 구조 인터페이스 모델에서도 좌굴 해석을 지원합니다. 좌굴 해석은 이미 Shell 과 Solid Mechanics 인터페이스에서 지원하고 있기 때문에 혼합된 모델에도 사용 가능합니다.

수직 하중으로 발생된 뼈대 구조의 좌굴 형상

수직 하중으로 발생된 뼈대 구조의 좌굴 형상

Application Library path for an example of a buckling analysis for the Beam interface::

Structural_Mechanics_Module/Verification_Examples/space_frame_instability

New Data Set for Results from Shell Element Analyses

많은 박막 구조를 해석할 때 계산 자원을 줄이기 위해서 3차원 메시 대신에 쉘 요소나 경계 메시를 사용합니다. 그러나 후처리에서 쉘을 사용할 경우에 쉘의 윗면과 아래 면의 차이를 3차원으로 시각화 하기에 어려움이 있습니다. 3차원 메시를 사용한 다른 도메인들이 포함된 경우에도 시각화 하기에 어려움이 있습니다.

새로운 버전에서는 3차원 시각화에 두 개의 쉘 평면을 사용하여 효과적으로 표현하는 기능이 추가 되었습니다. 기본적으로 표면은 쉘 요소에 사용한 두께만큼 떨어진 면으로 분리 됩니다. 매우 얇은 구조에서의 가시화를 향상시키기 위해서 사용자가 이 거리를 직접 조정 할 수 있습니다. 이 모든 것이 새로운 Results 설정의 Shell 데이터 셋으로 이루어집니다.

브래킷에서 형상 중의 일부분은 Shell을 사용하고 나머지 부분은 Solid Mechanics인터페이스를 사용하여 응력 해석을 수행한 결과입니다. Shell을 사용한 부분의 결과는 쉘의 두께만큼 분리된 두 평행한 면으로 결과를 표시합니다. 왼쪽의 그림은 쉘을 사용한 면을 청녹색으로 표시 하였고 3차원 형상은 숨기기를 적용 하였습니다. 오른쪽 그림은 Shell 데이타 셋을 사용하여 표시한 응력 결과를 보여 주고 있습니다.(쉘을 사용한 부분의 결과 만을 표시함)

브래킷에서 형상 중의 일부분은 Shell을 사용하고 나머지 부분은 Solid Mechanics인터페이스를 사용하여 응력 해석을 수행한 결과입니다. Shell을 사용한 부분의 결과는 쉘의 두께만큼 분리된 두 평행한 면으로 결과를 표시합니다. 왼쪽의 그림은 쉘을 사용한 면을 청녹색으로 표시 하였고 3차원 형상은 숨기기를 적용 하였습니다. 오른쪽 그림은 Shell 데이타 셋을 사용하여 표시한 응력 결과를 보여 주고 있습니다.(쉘을 사용한 부분의 결과 만을 표시함)


New Multiphysics Couplings Between Structural Mechanics Interfaces


새로이 추가된 Solid-Shell Connection, Solid-Beam Connection, Shell-Beam Connection 멀티피직스 연동 설정을 통하여 다른 구조 역학 인터페이스 간의 연결을 쉽게 설정할 수 있습니다. 결과적으로 기존에 사용되었던 Solid Mechanics 노드 하단에 추가되었던 Beam Connection, Shell Connection, Solid Connection은 더 이상 필요없어 삭제 되었습니다. Solid-Shell Connection, Solid-Beam Connection 은 Solid Mechanics 혹은 Multibody Dynamcis 인터페이스에서 도메인을 연결하는데 유용하게 사용됩니다.

사용 가능한 연결 설정 (왼쪽에서 오른쪽 방향으로) Solid-Shell Connection, Shell-Beam Connection, Solid-Beam Connection 설정 창

사용 가능한 연결 설정 (왼쪽에서 오른쪽 방향으로) Solid-Shell Connection, Shell-Beam Connection, Solid-Beam Connection 설정 창


Elastic Layers Described by Material Data

입력된 두께가 적용된 층에 탄성 계수와 포아송 비와 같은 재료 정보를 탄성 박막 층이나 탄성 스프링 정보로 입력할 수 있습니다. 예를 들어, 알고 있는 재료 정보를 이용하여 접착 박막 층 모델링을 단순화할 수 합니다. 입력 값으로 재료 정보와 두께를 사용하면 탄성 층의 변형을 결과에서 확인 할 수 있습니다.

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Mode Analysis in Solid Mechanics


2차원에서 Solid Mechanics 인터페이스에 새로운 모드 해석이 추가 되었습니다. 모드 해석은 모드 형상을 계산하거나 면외 방향으로 파동이 전달되는 파수를 계산하는데 사용합니다. 적용 분야는 단면에서 비파괴 평가나 고체-음향 연동 계산에 사용됩니다. 2차원 축대칭 Solid Mechanics 인터페이스에는 새로운 옵션으로 Circumferential mode extension이 추가 되었습니다. 따라서 원주 모드 형상과 모드 수를 계산하는 고유진동수 계산에 사용됩니다.

주의: 이 예제 모델은 Acoustics 모듈이 필요합니다.

탄성 박막 벽으로 구성된 머플러 내부의 전파 모드.그림은 음압과 형상의 변형을 나타냅니다.

탄성 박막 벽으로 구성된 머플러 내부의 전파 모드.그림은 음압과 형상의 변형을 나타냅니다.

Application Library path for an example of the new mode analysis study type:

Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

New Framework for Inelastic Strains in Geometrically Nonlinear Analyses


새로운 형태와 더욱 정교한 계산이 더해진 탄성 비탄성 변형을 처리하는 형상 비선형 기능이 추가 되었습니다. 이전 버전에는 배수 분해 방법을 사용한 대 변형 소성 해석과 같은 몇 가지 해석을 제외하고 첨가 분해 방법을 사용하였습니다.

배수 분해법의 적용:

  • Thermal Expansion
  • Hygroscopic Swelling
  • Initial Strain
  • External Strain
  • Viscoplasticity
  • Creep

변형 구배에 대한 배수 분해는 기본적으로 geometric nonlinearity가 활성화되는 모든 비탄성 해석 시에 사용됩니다. 중요한 장점은 재료의 비탄성 대변형 해석 시에 사용이 가능합니다. 더하여 선형화가 일관성 있게 유지되어, 예를 들어 순수한 열팽창으로 변화되는 고유진동수의 변화를 정확히 예측 하게 됩니다. 재료 설정 창에서 Additive strain decomposition 기능을 활성화 하면 이전 버전의 기능을 사용 할 수 있습니다.

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향상된 기능으로 Linear Elastic Material와 Nonlinear Elastic Material 노드에서 External Strain 속성을 추가 했을 때 몇 가지 옵션이 있습니다. 이 옵션은 비 탄성 변형 수식을 지원하고, 다른 물리 인터페이스에서의 비탄성 변형을 해당 속성으로 전달할 수 있습니다. 추가적으로 유사한 성질을 지닌 External Strain은 초탄성 재료에 추가 됩니다.

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Rigid Domain in Shell and Beam Interfaces

강체 도메인 재료 모델이 Shell과 Beam 인터페이스에 사용 가능합니다. 이 기능은 주변의 형상에 비해서 매우 단단한 부분이 있는 모델을 해석할 때 적합한 기법입니다. 모서리(Beam)이나 경계(Shell)에 대한 강체 자유도만 필요한 경우에 적합합니다. Solid Mechanics이나 Multibody Dynamics 인터페이스에서 관련 재료 모델로 적용되면 하중, 스프링, 관성을 강체 임의의 위치에 인가 할 수 있습니다.

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Rigid Connector in the Beam Interface

Rigid Connector 기능은 Beam 인터페이스에서 사용 가능합니다. 강체 영역을 하나의 세트로 구성할 수 있습니다. 이 기능은 빔 연결에서 유연체가 중복 적용되는 것을 피하기 위해 사용됩니다. 비 중심 하중, 스프링, 추가 관성 효과를 적용 할 수 있습니다.

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Spring Boundary Conditions for Rigid Domain and Rigid Connector

Rigid Connector 와 Rigid Domain 기능이 있는 모든 물리 인터페이스에서 Spring Foundation 라는 스프링 경계 조건을 확장하였습니다. 다음과 같은 속성을 가집니다:

  • 임의의 위치에 스프링을 설정할 수 있습니다.
  • 회전과 이동이 모두 가능합니다.
  • 손실 감쇄 계수가 적용 됩니다.
  • 점성 손실과 동일하게 사용 될 수 있습니다. (회전과 이동 모두 가능)

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Energy Quantity Variables for Modeling Contact

새롭게 추가된 에너지 변수는 접촉 모델 해석에 사용 가능합니다. 접촉 가중계수(Contact penalty factors)에서 저장되는 탄성 에너지와 마찰로 발생하는 에너지 소산 정보를 얻을 수 있습니다. 이 기능은 에너지 수지를 확인하거나 선택된 가중계수를 확인하는데도 사용 가능합니다.

관내에서 자중으로 굴러가거나 미끄러지는 현상에서의 에너지 수지

관내에서 자중으로 굴러가거나 미끄러지는 현상에서의 에너지 수지

Application Gallery link for an example containing new variables for energy quantities when modeling contact:

Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

Frequency-Domain Analysis with Contact

이전 해석에 계산된 접촉 상태를 주파수 응답 해석에 사용 할 수 있습니다. 한 예로,볼트로 체결된 구조의 주파수 도메인 해석을 수행하고 동적 특성에 접촉 상태의 영향을 계산 할 수 있습니다.

Harmonic Perturbation for Prescribed Velocity and Acceleration

Shell, Plate, Beam 인터페이스 설정에서 Prescribed Velocity 와 Prescribed Velocity을 위한 조화 섭동 해석을 지원합니다.

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Enhancements to Including Physics Symbols


Graphics 창에서 형상에 가시화 되는 물리 기호를 표시하는 기능이 향상 되었습니다. 이 기능은. 각 물리 설정 노드에서도 가능하고, 또한 물리 노드 마다 개별 특성 설정으로도 스위치 ON/OFF로 구현됩니다 .

Graphics 창에 물리 기호를 표시 할 것인지 하지 않을 것인지를 스위치를 통해서 설정할 수 있습니다. 이 기능은 각 물리 설정에서도 가능(위 그림)하고, 각 설정 노드에서도 설정이 가능(아래 그림)합니다.

Graphics 창에 물리 기호를 표시 할 것인지 하지 않을 것인지를 스위치를 통해서 설정할 수 있습니다. 이 기능은 각 물리 설정에서도 가능(위 그림)하고, 각 설정 노드에서도 설정이 가능(아래 그림)합니다.


Enhancements to Including External Material Functionalities

C 코드로 작성한 재료 모델의 사용성 및 강력함에 관해 일부 향상되었습니다.

  • 비탄성 변형의 효과를 비선형 탄성 및 초탄성 재료에서 적용이 가능합니다.
  • C 코드에 사용되는 두 가지 새로운 인터페이스에는 변형 구배를 포함한 더 다양한 입력 조건이 추가되었습니다.
  • Serendipity 형상 함수가 추가되었습니다.
  • 미소 변위 수식이 추가 되었습니다.
  • 사용자 함수를 초기화 하여 호출하는 기능이 추가 되었습니다.
  • 사용자 함수를 정리하여 호출할 수 있습니다.
  • 상태 변수를 독립적으로 이름 지을 수 있습니다.
  • 시간을 입력 인자로 사용 가능합니다.

New Tutorial Model: Transient Rolling Contact

과도 회전 접촉 예제는 스틱-슬립(stick-slip) 마찰 전이를 포함하는 과도 접촉 문제를 어떻게 모델링 하는지를 보여 줍니다. 자중이 적용되는 부드러운 관이 하프파이프의 상단에 위치 한 모델입니다. 관의 움직임은 관의 속도와 위치에 따라서 미끄러지기도 하고 회전하기도 합니다. 관의 단면은 접촉과 관성력으로 변화 됩니다. 에너지 평형 조건은 해석의 정확도를 평가 하는데 사용합니다.

부드러운 관이 하프 파이프의 상단에서 떨어집니다. 관의 이동과 단면의 형상은 접촉력과 자중에 따라서 변화됩니다.
그림은 관의 응력을 표시 하고 포인트는 시간입니다.
따라서 포인트의 괘적이 관의 움직을 표현 합니다.
Application Gallery link:

Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/transient_rolling_contact

New Tutorial: Noise Radiation by a Compound Gear Train

동적 시스템으로 방사되는 소음의 예측은 설계자에게 설계 과정에서의 이동 메커니즘 현상에 대한 이해를 높여 줍니다. 예를 들어, 기어 박스에서 기어의 진동으로 발생하는 기어의 강성 변화를 고려하게 됩니다. 이 진동은 기어 축과 연결체를 통해서 기어 박스 표면으로 전달 됩니다. 박스의 진동은 기어 박스 외부의 공기로 에너지를 전달 하게 됩니다. 결과적으로 음파가 발생 됩니다.

이 예제는 소음 방사를 시뮬레이션합니다. 소음은 기어 박스에서 발생되는 소음입니다. 첫째로 다물체 동역학을 통해서 특정한 회전 속도에서 기어 박스의 진동을 시변 해석으로 진행합니다. 소음 원으로 기어 박스 표면의 수직 방향 가속도를 이용하여 음압 레벨을 주파수 영역에서 계산 합니다.

주의 : 이 예제는 Multibody Dynamics Module과 Acoustics Module이 필요합니다.

회전하는 기어의 박스 표면에 법선 가속도. 모델에서는 방사되는 음압도 계산 합니다.
Application Library path:

Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise