COMSOL接觸模擬的案例
如何在 COMSOL 中模擬接觸疲勞
在 COMSOL Multiphysics? 中對接觸疲勞進(jìn)行建模
我們可以用兩種方法在 COMSOL Multiphysics 中建立接觸疲勞模型。一種方法是在兩個物體的界面上創(chuàng)建一個接觸對。必須對兩個物體都進(jìn)行建模，并且必須沿著兩個接觸界面應(yīng)用精細(xì)的網(wǎng)格。這種類型的接觸模擬往往計(jì)算量很大。
模擬接觸疲勞的另一種方法是使用與赫茲有關(guān)的經(jīng)典解，用于兩個具有彎曲表面的彈性體之間的接觸，這在接觸力學(xué)的研究中有所描述。接觸中的一個物體被接觸壓力的分析解所取代，該壓力在另一個物體的表面上被指定。我們可以通過以下方式來實(shí)現(xiàn)。
在參數(shù)節(jié)點(diǎn)中指定接觸特性，如最大壓力和接觸軸，作為參數(shù)。
在變量節(jié)點(diǎn)中，將表面上某一特定位置的接觸壓力表示為變量
將接觸壓力指定為另一物體表面的邊界載荷
這樣做以后，我們就不需要對其中一個物體進(jìn)行建模，這就減小了模型的大小。由于對所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)的準(zhǔn)確解析需要一個精細(xì)的網(wǎng)格，任何減小模型大小的技術(shù)在接觸疲勞建模中都很重要。
為接觸物體的接觸壓力指定一個分析解的設(shè)置。
第二種技術(shù)是 COMSOL 疲勞模塊的案例庫中的兩個教程模型中所采用的：長期接觸疲勞和線性導(dǎo)軌中的滾動接觸疲勞。在第一個例子中，一個球形壓頭在被測材料上被反復(fù)壓緊和釋放。在第二個例子中，一個球形滾動元件沿著一個滾道槽移動。
兩個模型中的特征幾何長度都是幾毫米，這相當(dāng)于球形物體的接觸半徑。接觸區(qū)的特征長度約為該測量值的十分之一。在長期接觸疲勞的例子中，壓頭的半徑為 7 mm ，接觸半徑為 260 μm。對于滾動接觸疲勞示例，滾動元件的半徑是 2 mm，兩個接觸橢圓軸分別是 161 μm 和 36 μm 。
展開 在 COMSOL 中模擬接觸問題
COMSOL Multiphysics? 中結(jié)構(gòu)力學(xué)接觸建模功能可以幫助模擬那些相互接觸后就粘在一起的物體（粘附），以及受力后分開的物體（剝離），同時還包括全內(nèi)聚力的模擬。讓我們一起學(xué)習(xí)如何使用 COMSOL Multiphysics 來處理上述情況。
使物體相互粘結(jié)：如何模擬粘附
當(dāng)對分離的固體施加壓縮力，將其緊壓在一起時，邊界上的機(jī)械接觸會使固體產(chǎn)生形變，以使接觸邊界互相契合。而如果用拉力將域分開，接觸便會隨即消失。這一效應(yīng)可使用 COMSOL Multiphysics 中傳統(tǒng)的接觸建模進(jìn)行模擬。如果物體沒有分離，而是保持粘結(jié)狀態(tài)，說明它們可維持拉伸力或粘附力。
事實(shí)表明，在模擬與接觸和粘附現(xiàn)象有關(guān)的力時，我們需要格外注意切向上的力。當(dāng)物體接觸時，可能出現(xiàn)三種“相切狀態(tài)”：無摩擦滑動、有摩擦滑動和摩擦粘著。除此之外還有其他的復(fù)雜因素，在許多接觸過程中，只有滿足某些物理?xiàng)l件時，兩個邊界才會開始粘著。例如，某種粘附材料只有在超過特定溫度的環(huán)境中進(jìn)行加工處理，才能有效發(fā)揮粘附作用。不過，借助 COMSOL “結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”中的粘附與剝離功能，便能實(shí)現(xiàn)對上述所有現(xiàn)象的準(zhǔn)確表征。
現(xiàn)在我們來探討由膠水（真實(shí)的膠水或者具有相似功能的物質(zhì)）粘結(jié)起來的兩個固體零件。COMSOL Multiphysics 中的“粘附”節(jié)點(diǎn)是連接兩個邊界的關(guān)鍵，您可以在“模型開發(fā)器”模型樹中的“接觸”節(jié)點(diǎn)下找到這個子節(jié)點(diǎn)。
想要在接觸建模中使用“粘附”子節(jié)點(diǎn)，必須先勾選“罰函數(shù)”選項(xiàng)。罰函數(shù)的作用可被視為使用了一個剛性的單向彈簧對來模擬接觸。當(dāng)兩個邊界相互擠壓時，它們之間會形成一個虛擬的彈性薄層。在激活“粘附”模式后，彈簧切換為雙向，并具有了切向剛度。如果兩個邊界之間存在真正的粘附層，您可以參考真實(shí)的材料數(shù)據(jù)來確定剛度。
展開 abaqus2020-三維-顯示分析-通用接觸或接觸對接觸-單元刪除法模擬裂紋，單元穿透問題！！
1 abaqus2020-三維-顯示分析-單元刪除法模擬裂紋，僅采用通用接觸時，模型中出現(xiàn)明顯穿透，結(jié)果不合理！
2 abaqus2020-三維-顯示分析-單元刪除法模擬裂紋，僅采用接觸對接觸時，模型中出現(xiàn)少許穿透，結(jié)果相對合理，但不是最理想狀態(tài)！
3 abaqus2020-三維-顯示分析-單元刪除法模擬裂紋，同時采用通用接觸+接觸對接觸時，模型中無明顯穿透，結(jié)果合理！
粗糙裂隙的滲流模擬-基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的建模-comsol模擬 ￥78
巖體裂隙滲流，考慮裂隙接觸（滲透率低）和非接觸（滲透率高）的影響，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)建模，反映裂隙表面的非均質(zhì)性質(zhì)，研究裂隙面可能存在的優(yōu)勢通道。
使用 COMSOL 分析涉及粘滑摩擦的瞬態(tài)接觸問題
解決瞬態(tài)接觸問題中的粘滑摩擦轉(zhuǎn)換
在許多接觸問題中，我們必須解決粘滑摩擦轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。如本例所示，COMSOL 軟件為我們提供了專用于處理此類分析的功能，全新的能量值變量可用于驗(yàn)證解的準(zhǔn)確性。基于這些研究結(jié)果，工程師可以設(shè)計(jì)出更加安全、節(jié)能的系統(tǒng)。
來源：COMSOL
Comsol-頁巖氣流固耦合數(shù)值模擬案例 ￥300
針對頁巖氣流動過程中骨架變形對氣井產(chǎn)能產(chǎn)生的影響，采用Comsol建立了頁巖氣流固耦合數(shù)值模擬案例，該模型考慮了頁巖氣黏性流、 Knudsen 擴(kuò)散、表面擴(kuò)散和吸附解吸等多重流動機(jī)制，采用離散裂縫模型對水力裂縫進(jìn)行求解，模型可用于分析流固耦合效應(yīng)對氣井產(chǎn)能的影響規(guī)律，以及其他儲層參數(shù)和裂縫參數(shù)對產(chǎn)能的影響。
壓力場分布
位移場分布
頁巖氣產(chǎn)量變化
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COMSOL多孔結(jié)構(gòu)傳熱模擬
多孔結(jié)構(gòu)傳熱模擬涉及對多孔介質(zhì)內(nèi)部復(fù)雜的熱量傳遞過程進(jìn)行建模和分析，這類模擬對于優(yōu)化材料設(shè)計(jì)、提高能源效率以及解決環(huán)境問題等方面具有重要意義。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立全連通多孔結(jié)構(gòu)幾何模型，并將孔隙及基體劃分兩相材料，進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)的傳熱仿真模擬。
多孔結(jié)構(gòu)幾何模型采用AbyssFish單連通周期邊界多孔結(jié)構(gòu)2D軟件隨機(jī)生成png格式的圖片。
通過CAD圖像導(dǎo)入插件將模型導(dǎo)入到AutoCAD內(nèi)建立多孔結(jié)構(gòu)草圖，并另存為dxf格式文件。
將多孔結(jié)構(gòu)草圖模型導(dǎo)入到COMSOL內(nèi)，建立孔隙部件。
在COMSOL內(nèi)新建與原模型尺寸一致的矩形，并通過布爾操作和分割中的差集建立多孔結(jié)構(gòu)部件。
再次導(dǎo)入原孔隙模型，并構(gòu)建聯(lián)合體。將孔隙部分材料屬性設(shè)置為空氣，完成多孔結(jié)構(gòu)兩相材料模型構(gòu)建。
添加固體傳熱瞬態(tài)研究，模型左側(cè)設(shè)置熱源，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
進(jìn)行計(jì)算查看多孔結(jié)構(gòu)傳熱模擬結(jié)果
展開 如何使用 COMSOL 模擬殘余應(yīng)力
在 COMSOL Multiphysics 中，可以通過選擇二維空間維度并選擇固體力學(xué) 接口，建立二維平面應(yīng)力模型。
在 COMSOL Multiphysics 中計(jì)算殘余應(yīng)力
在這里，我們將展示如何在二維中使用固體力學(xué)接口來計(jì)算梁截面的殘余應(yīng)力。
使用固體力學(xué)接口的二維梁模型的屏幕截圖。
根據(jù)上面的截圖可知，我們定義了一些變量來評估上一節(jié)中計(jì)算出來的理論殘余應(yīng)力。這些值將被用于比較計(jì)算結(jié)果和理論結(jié)果。
施加的彎矩是逐漸增加的。添加一個塑性節(jié)點(diǎn)可以考慮到可能通過梁厚度發(fā)生的單軸塑性行為。一旦
達(dá)到臨界值
，塑性流動就開始。任何已經(jīng)達(dá)到這個值的纖維在加載過程中都將保持恒定的應(yīng)力狀態(tài)。
在下圖中，你可以看到沿橫截面 Y 軸 的應(yīng)力分布。對于深度為
的塑性區(qū)，施加的彎矩已由
方程（4）
計(jì)算出來。根據(jù)藍(lán)色曲線，COMSOL Multiphysics 的模擬結(jié)果與該值完全吻合。紅色曲線表示一個加載-卸載周期后的殘余應(yīng)力。值得注意的是，計(jì)算的殘余應(yīng)力也可以由完全彈塑性曲線（藍(lán)色）中減去彈性曲線（綠色）得到。
彈性加載、卸載和彈塑性加載后的應(yīng)力值。
將
方程（7）
和
方程（9）
定義為變量，并與 COMSOL Multiphysics 中計(jì)算的解進(jìn)行比較。如前面的截圖所示，你可以使用 if() 算子創(chuàng)建一個 “開關(guān)”，這樣代表解析殘余應(yīng)力的兩個表達(dá)式就會出現(xiàn)在一個表達(dá)式中。下圖顯示了兩次加載-卸載循環(huán)后解析的和計(jì)算的殘余應(yīng)力。
解析的與計(jì)算的殘余應(yīng)力。
使用 COMSOL Multiphysics，能夠?qū)μ囟ú牧系臏笾芷谶M(jìn)行建模。如下圖所示，在完全塑性行為的情況下，第二次載荷循環(huán)已經(jīng)施加了一個穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，代表每個連續(xù)的載荷循環(huán)。
展開 基于comsol漸變光纖的模擬
今天我給大家介紹一種利用comsol進(jìn)行可編輯優(yōu)化設(shè)置的漸變光纖模擬。具體如下：
首先，構(gòu)建出四層芯包結(jié)構(gòu)，為溝道形漸變光纖，其中最中間的纖芯為漸變芯。第二圈為溝道包層。依此類推對每個光纖區(qū)域的材料參數(shù)進(jìn)行配置。如下：
其次，我們需要考慮插入漸變函數(shù)，因此需要再定義中引入?yún)⒆兞浚?需要注意的是，該函數(shù)為關(guān)于半徑r的極坐標(biāo)形式，而我們在構(gòu)建函數(shù)時需要將其轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，因此r要寫成直角坐標(biāo)方程如上所示。特別說明的是，該函數(shù)的上限為1.461，漸變下限為1.45.讀者可根據(jù)自己實(shí)際需求來調(diào)整。接下來我們就是需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及配置電磁波頻域研究來進(jìn)行模式分析，如下所示：
結(jié)果分析及討論說明：
首先可以看一下折射率沿著光纖x軸的分布，滿足漸變溝道形。模式分析結(jié)果如下：
以基模以及11模式為例，不同于階躍形光纖，其模式光場對應(yīng)的電場幅值存在明顯的差異。希望為做漸變形光纖模擬的朋友們起到一些小小輔助。
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
展開 COMSOL SMS結(jié)構(gòu)模擬簡要步驟
做光纖傳感方向的朋友們在日常的工作與學(xué)習(xí)中都想對你自己的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個仿真與模擬，以用于驗(yàn)證自己的思路與想法，又或者是在平時的文章中加入模擬以豐富自己的工作使得文章顯得更加飽滿，但又苦于在光纖傳感方向的comsol案例、資料比較少，今天小來講解一下單模—多模—單模的模擬過程：
首先，第一步就是選擇物理場，對于光纖模擬，我們需要選擇電磁波波束包絡(luò)法，以減少計(jì)算量。邊界模式分析，進(jìn)入到軟件的建模界面，這一步相信大家都會，我就不一一介紹了。如圖1所示，是我的建模過程，這里需要注意一點(diǎn)的是在兩種界面處，需要加輔助線，以方便后期的網(wǎng)格劃分。
圖1：幾何物理模型
其次是對各個模塊進(jìn)行材料的賦值。這里需要用到色散函數(shù)，您可以在網(wǎng)上查找或者在折率網(wǎng)站中進(jìn)行查找。
再次就是對物理場進(jìn)行設(shè)置。如圖2所示，這是我們用到的物理場設(shè)置。
圖2：物理場設(shè)置
利用端口進(jìn)行設(shè)置，有利于后期我們對透射率和反射率的計(jì)算，通常也就是我們所說的光譜。端口的類型我們一般選擇數(shù)值類型，并且入射端口我們選擇為開放，端口2為閉合。邊界類型需要在兩端設(shè)置完美匹配層和散射邊界，用來吸收反射或者散射波。
接下來就是網(wǎng)格的剖分，對于這種規(guī)整的幾何構(gòu)型，我們一般選擇四邊形網(wǎng)格，如圖3所示，我們對每一邊界進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。
圖3：網(wǎng)格的劃分
最后一步就是對研究進(jìn)行設(shè)置，一般用到邊界模式，如4圖就是對研究進(jìn)行設(shè)置。
圖4：研究設(shè)置
為了后期得到掃描的透射譜，我們可以根據(jù)自己的需要對波長進(jìn)行參數(shù)化掃描。下面是我的一個模擬成果。
圖5：光場分布圖
從上圖可以看出多模光纖的自成像效應(yīng)，說明這個模擬結(jié)果是正確的。
展開 在 COMSOL 中模擬新冠肺炎快速檢測裝置
2D 模擬顯示，測試條中的質(zhì)量傳輸似乎很慢，在非均相流動情況下，速率決定了測試。流動似乎可以快速地將樣品分布在測試條上。然而，吸附反應(yīng)是如此緩慢，以至于在非均相情況下，質(zhì)量傳遞仍然限制了抗體-抗原-納米粒子復(fù)合物向測試線處的吸附表面擴(kuò)散。在均相流動的情況下，吸附動力學(xué)的限制更大。然而，這當(dāng)然與我們使用的輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。
為文中建立的模型僅是一個化學(xué)原理。如果要將它們用于測試條的實(shí)際開發(fā)，必須在獲得化學(xué)和多孔材料的特性的輸入數(shù)據(jù)上做更多的努力。然而，這些模型包含了重要的物理現(xiàn)象:相對詳細(xì)的傳輸和反應(yīng)描述。
模型改進(jìn)的可能性：
考慮沿膜各處的吸附-解吸。文中我們假設(shè)所有物種自由傳輸，直到它們在測試線上被永久吸附。
建立更精確的兩相流模型。我們使用了一個簡單的多孔介質(zhì)兩相流模型。也可以使用基于相位場的更精確的模型。
使用科學(xué)文獻(xiàn)中公布的特定測試的輸入數(shù)據(jù)。我們對測試條組件中的所有板使用了相同的孔隙率和潤濕特性。濃度和吸附動力學(xué)使用了產(chǎn)生合理結(jié)果的輸入數(shù)據(jù)。然而，為了使用真實(shí)的濃度和動力學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)該進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。然而，這對于不同的新冠肺炎檢測是不同的，因?yàn)槊總€制造商都有自己的樣品制備和檢測程序。這篇文章的目的僅僅是展示可能的建模方法，而不是發(fā)表科學(xué)論文。
網(wǎng)格收斂分析。這將顯示您在模擬結(jié)果中可以預(yù)期的準(zhǔn)確性。這已經(jīng)部分完成，我們知道模型給出的數(shù)值誤差相對較小。但是如果需要嚴(yán)格的精度，就不屬于這篇文章的討論范圍了。
本文內(nèi)容來自 COMSOL 博客，點(diǎn)擊底部“閱讀原文”，閱讀更多延伸文章。
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comsol TIG電弧數(shù)值模擬
本文以文獻(xiàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，采用comsol多物理場模塊，對TIG焊接電弧進(jìn)行數(shù)值模擬。其中引用的方程有電流、磁場、固體和流體傳熱、層流，通過多物理場接口將各個方程聯(lián)系起來，構(gòu)成電弧仿真的基本數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[1]的幾何模型如下所示，其中HI為鎢陽極，DG為陰極，AHIB為陰極，GFED為陽極，HGDCBI為流體域，具體幾何尺寸可參考論文。
采用上述物理模型建立comsol二維軸對稱模型，為了提高計(jì)算收斂性，對模型電極做了一定的拉伸，如下圖所示。電流邊界條件設(shè)為AB電流200A，F(xiàn)E接地；流場邊界條件設(shè)為進(jìn)氣速度0.4m/s，進(jìn)氣溫度1000K；流體區(qū)域初始溫度設(shè)置為10000K，以便提高計(jì)算的收斂性。
通過對模擬邊界的設(shè)置以及調(diào)整求解器相關(guān)參數(shù)，得到如下結(jié)果：
1.磁場強(qiáng)度最大0.03T；
2.溫度最高15000K左右；
3.速度最高150m/s左右；
通過上述仿真，可近似模擬出TIG電弧的溫度場和速度場分布情況，為相關(guān)電弧仿真提供一定的借鑒。
[1]基于FLUENT的TIG焊接電弧數(shù)值模擬
展開 在 COMSOL 中模擬非線性磁性材料
結(jié)束語
在這篇文章中，我們討論了可用于模擬非線性磁性材料的各種材料模型。我們還詳細(xì)介紹了有效非線性磁曲線計(jì)算器仿真App，并解釋了如何利用這個 App 生成循環(huán)平均有效 H-B/B-H 曲線，用于磁性設(shè)備的頻域仿真。最后，我們使用三種不同類型的材料模型（B-H/H-B 曲線、有效 H-B/B-H 曲線和線性材料）演示了一個示例，并對結(jié)果進(jìn)行了比較。
本文來自： COMSOL 博客
Comsol 數(shù)值模擬答疑 ￥99
Comsol多物理場仿真軟件在滑坡數(shù)值模擬中的運(yùn)用
參考文獻(xiàn)
[1] 李柯柯，徐穎，李金寶等.基于COMSOL的多孔介質(zhì)熱-流-變形耦合數(shù)值模擬[J].當(dāng)代化工，2022,51(02):441-445.
[2] 尹紅球，陳滔.基于COMSOL Multiphysics軟件的回采工作面開挖模擬模型優(yōu)化[J].煤炭技術(shù)，2020,39(11):50-52.
[3] 李金峰，劉尚校.基于COMSOL開發(fā)的煤礦承壓水上開采數(shù)值模擬軟件[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018(21):16+22.
[4] 呂亞東.復(fù)雜條件下填方與地質(zhì)環(huán)境互饋?zhàn)饔脵C(jī)理研究[D].貴州大學(xué)，2022.
文章來源：中國水運(yùn)
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