COMSOL Multiphysics® 5.4 Release Highlights


Composite Materials Module

COMSOL Multiphysics® 버전 5.4에서 새로운 Composite Materials 모듈을 소개합니다. 이는 Structural Mechanics 모듈에 추가하여 새로운 적층 재질 기술을 포함한 모델링을 할 수 있습니다.

Composite Materials Module Overview

적층 쉘에 대한 두 가지 지배방정식이 있습니다. 하나는 고전적인 적층이론에 근거한 것이며, 다른 하나는 보다 완전한 3차원 이론에 근거한 것입니다. 전자는 shell 인터페이스에 있는 재질 모델에서 구현할 수 있으나, 후자는 새로운 Layered Shell 인터페이스에서 구현 가능합니다. 사용자 정의 인터페이스는 적층을 가시적으로 보여주는 기능을 포함하여, 등방성 혹은 비등방성 재질 물성에 대하여 명시할 수 있는 도구를 포함하고 있습니다.

이러한 모듈은 복합 적층 재질의 구조해석에 유용하며, Heat Transfer 모듈이나 AC/DC 모듈을 함께 사용하여 복합재질의 연성해석에 사용될 수 있습니다. Composite Materials 모듈과 Heat Transfer 모듈을 연동하여, 보다 복잡한 열전달 문제나 열팽창 기능을 이용할 수 있습니다. 이와 유사하게, Composite Materials 모듈을 AC/DC 모듈과 함께 연동하여 Electrostatics 및 Electric Currents 인터페이스에서 적층 복합 재료에 대해 구현할 수 있습니다.

Defining Laminates

새로운 Layered Material 노드를 사용하여, 각 적층의 물성 재질, 두께 및 주방향 회전의 설정 구성이 가능합니다. 이러한 방법으로 정의된 적층 재질은 새로운 적층 재질을 생성하기 위해 조합될 수 있습니다. 특히, 구성이 반복적으로 적층되는 구조의 모델링에 편리하게 사용 가능합니다. 또한 적층 간에 있는 물성을 정의하는 것이 가능합니다. 2차원 및 3차원 미리보기로 이러한 입력 데이터를 가시회할 수 있습니다.

적층 재질의 구성 정의 및 각 적층의 주방향 회전을 나타내는 미리보기.

적층 재질의 구성 정의 및 각 적층의 주방향 회전을 나타내는 미리보기.


The Layered Shell Interface

Layered Shell 인터페이스는 전체 3차원 응력 및 변형율의 분포를 포함한 결과와 함께 적층의 상세 해석을 하는데 사용됩니다. 예를 들어, 각 적층 내에서 작용하는 적층 간의 응력 및 응력 변수를 연구하기 위해 해석할 수 있습니다. 각 적층 재질은 비선형일 가능성이 있습니다. 이러한 물리 인터페이스의 지배방정식은 두꺼운 형상이나 제한된 개수를 갖는 적층의 얇은 쉘에 적합합니다. 각 적층은 두께방향으로 상이한 요소개수를 가질 수 있습니다.

Layered Shell 인터페이스를 사용한 모델은 아래와 같습니다:

  • Micromechanics and Stress Analysis of a Composite Cylinder
  • Forced Vibration Analysis of a Composite Laminate
  • Bending of a Simply Supported Composite Laminate
  • Thermal Expansion of a Laminated Composite Shell

세 겹의 적층 구조물에서의 횡방향 전단응력. Layered Shell 인터페이스에 의한 결과 및 3차원 형상 해석 결과와의 비교.

세 겹의 적층 구조물에서의 횡방향 전단응력. Layered Shell 인터페이스에 의한 결과 및 3차원 형상 해석 결과와의 비교.


The Layered Linear Elastic Material

Composite Materials 모듈을 사용하여, 이전에 사용한 Shell 인터페이스는 Layered Linear Elastic Material이라는 새로운 재질 모델링을 통해 기능이 강화되었습니다. 이러한 재질 모델은 얇거나 적당한 두께를 갖는 쉘에 적합하며, 성능에 지대한 영향을 미치지 않는 수 많은 적층 형태를 모델링 하는데 사용할 수 있습니다.

Layered Linear Elastic Material 기능을 사용한 모델은 아래와 같습니다:

  • Buckling of a Composite Cylinder
  • Micromechanics and Stress Analysis of a Composite Cylinder
  • Failure Prediction in a Laminated Composite Shell
  • Material Characteristics of Laminated Shell
  • Bending of a Simply Supported Composite Laminate
  • Stress and Modal Analysis of a Wind Turbine Composite Blade

샌드위치 구조로 설계된 풍력터빈 날개의 3차 고유진동 모드.

샌드위치 구조로 설계된 풍력터빈 날개의 3차 고유진동 모드.


Specialized Tools for Result Evaluation

적층 구조물의 결과를 분석할 때, 몇 가지 부가적인 기능이 필요합니다. Layered Material 데이터셋은 3차원 솔리드 표현을 이용하여 적층 쉘의 결과를 보여주는 것이 가능합니다. 그래픽에서, 두께방향으로의 변화를 가시화하기 위한 특수한 기능들이 있습니다.

세 겹의 적층 복합재료로 구성된 구조물의 다양한 결과 출력.

세 겹의 적층 복합재료로 구성된 구조물의 다양한 결과 출력.


Multiphysics in Layered Structures

적층 재질에 대한 모든 물리 인터페이스는 적층 구조와 동일한 표현을 공유합니다. 이는 구조물의 적층 내에서 모델의 다중물리 현상을 쉽게 묘사할 수 있음을 의미합니다. 열팽창과 같은 일반적인 경우에, 사전 설정된 Heat Transfer in Shells 인터페이스와 Layered Shell 인터페이스 간의 다중물리 연동이 가능합니다. 또 다른 연동 해석은 열전효과와 줄가열이 있습니다. 전자는 Heat Transfer 모듈이, 후자는 Heat Transfer 모듈과 AC/DC 모듈이 필요합니다.

복합 재질을 포함하는 유동-구조 연동(FSI)은 적층된 선형 탄성재질에 대한 Shell 인터페이스와 유동관련 수많은 인터페이스 중에 하나를 연동하여 모델링 할 수 있습니다. Acoustics 모듈과 Composite Materials 모듈과의 연동으로 전용 다중물리연동 노드에서 적층된 선형 탄성 재질을 지닌 구조-음향 연동이 가능합니다.

Thermal Expansion of a Laminated Composite Shell 예제에서 열팽창을 포함한 다중물리 연동을 확인할 수 있습니다.

추가스크린샷 보기

New Tutorial Models

COMSOL Multiphysics® 5.4버전은 몇 가지 새로운 예제 모델을 포함하고 있습니다.


Material Characteristics of a Laminated Shell

적층이 각각 [0/60/-60/0/0/-60/60/0] 으로 회전한 형상. 이 예제는, 균일 쉘에 대한 등가탄성 물성이 계산되었으며 참고문헌의 값과 비교되었습니다.

적층이 각각 [0/60/-60/0/0/-60/60/0] 으로 회전한 형상. 이 예제는, 균일 쉘에 대한 등가탄성 물성이 계산되었으며 참고문헌의 값과 비교되었습니다.

Bending of a Simply Supported Composite Laminate

굽힘에 의한 단순 지지 세 겹 적층판에 작용하는 응력

굽힘에 의한 단순 지지 세 겹 적층판에 작용하는 응력


Buckling of a Composite Cylinder

적층에서 섬유재질의 상이한 회전에 따른 동일 쉘의 좌굴모드.

적층에서 섬유재질의 상이한 회전에 따른 동일 쉘의 좌굴모드.

Forced Vibration Analysis of a Composite Laminate

박리 영역의 유무에 따른 복합 적층판의 임피던스

박리 영역의 유무에 따른 복합 적층판의 임피던스


Stress and Modal Analysis of a Wind Turbine Composite Blade

풍력 발전 날개에 작용하는 응력. 표면은 19겹으로 구성되어 있으며, 코어 재질은 여러 겹의 유리섬유 복합재료가 결합되어 있습니다. 각각의 측면 적층은 외부 탄소 섬유 피복으로 구성되어 있습니다.

풍력 발전 날개에 작용하는 응력. 표면은 19겹으로 구성되어 있으며, 코어 재질은 여러 겹의 유리섬유 복합재료가 결합되어 있습니다. 각각의 측면 적층은 외부 탄소 섬유 피복으로 구성되어 있습니다.

Thermal Expansion of a Laminated Composite Shell

6겹 복합재질에 열이 인가되어 발생한 유효 응력

6겹 복합재질에 열이 인가되어 발생한 유효 응력


Failure Prediction in a Laminated Composite Shell

단축인장을 받는 복합재질에 대한 Hoffman criterion에 근거한 안전계수. 복합재질의 주회전방향은 첨부된 그림(좌측 상단)과 같습니다.

단축인장을 받는 복합재질에 대한 Hoffman criterion에 근거한 안전계수. 복합재질의 주회전방향은 첨부된 그림(좌측 상단)과 같습니다.

Micromechanics and Stress Analysis of a Composite Cylinder

5겹 복합재질로 설계된 튜브의 각 적층에 작용하는 응력.

5겹 복합재질로 설계된 튜브의 각 적층에 작용하는 응력.