如何使用COMSOL? 軟件將精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠的應(yīng)力分析結(jié)合起來，優(yōu)化滅火系統(tǒng)中的管道設(shè)計

每年，全球各地安裝的噴水滅火器系統(tǒng)超過 4000 萬套。滅火系統(tǒng)能夠保護生命財產(chǎn)安全，得益于其耐高溫、抗器械損傷的管道設(shè)計。管道設(shè)計普遍選用螺紋鋼管，然而后者精細的幾何結(jié)構(gòu)給分析復(fù)雜管道設(shè)計帶來了不少難題。采用什么方法才能有效地將精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠的應(yīng)力分析結(jié)合起來的呢？COMSOL? 軟件提供了這項專業(yè)功能。

螺紋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

假設(shè)你剛剛為上文提及的螺紋鋼管創(chuàng)建了管件 CAD 裝配?，F(xiàn)在為了更好地了解管件在管道系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，你需要對裝配進行應(yīng)力分析。利用 LiveLink? 接口產(chǎn)品，你可以將 COMSOL Multiphysics? 軟件集成到自己設(shè)計流程中，從而實現(xiàn)類似的分析。

螺紋管在噴水滅火器系統(tǒng)中很常見。圖片處于公有領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 共享。

螺紋結(jié)構(gòu)包含了大量的細節(jié)。這些 CAD 裝配極其復(fù)雜，迫使我們進行大量的預(yù)處理工作，而且其分析過程也會占用更多的計算資源。一種解決方案是假定螺紋為對稱圖形，然后從三維實體中截取二維截面以進行求解。

在 COMSOL? 軟件之前的版本中，同步后，我們不得不重新手動定義原始幾何中的選擇，這是一個耗時的過程。5.3 版對此進行了改進，提高了創(chuàng)建 CAD 裝配選擇的效率。所有相關(guān)的選擇均可自動加載，然后在 COMSOL Multiphysics 環(huán)境中被指派到合適的地方。這使得運行參數(shù)化研究、基于二維分析改進三維設(shè)計成為可能。

想要參考第一手案例嗎？好消息：“案例下載”的最新教學模型重點演示了這項功能。

注意：今天的示例使用的是 LiveLink? for SOLIDWORKS?，在 LiveLink? for Inventor? 也擁有此功能。更多細節(jié)請參見 COMSOL Multiphysics 5.3 版發(fā)布亮點。

對螺紋管裝置進行降階應(yīng)力分析

在本例中，你可以通過 LiveLink? for SOLIDWORKS? 將 SOLIDWORKS? 軟件中的完整螺紋管裝置模型同步到 COMSOL Desktop? 環(huán)境中。為了計算降階應(yīng)力分析，你需要利用橫截面 節(jié)點從三維模型中截取二維截面。該分析假定對外螺紋零件施加 5000 Nm 的扭矩（如下圖所示）。在設(shè)計中，外螺紋與其他零件均由相同的鋼材制成。

上：同步到 COMSOL Multiphysics 的完整三維裝配。下：為進行應(yīng)力分析而截取的二維截面。

為了計算裝配中每個零件之間的力傳遞，模型使用了構(gòu)造接觸。在 SOLIDWORKS? 軟件中，這些接觸面被定義為面選擇。裝配同步之后，所有的選擇被自動傳遞到了二維軸對稱模型中。這簡化了接觸對的創(chuàng)建過程，因為我們不再需要手動逐個選定相互接觸的邊界實體。尤其是對于螺紋，你只需要在 SOLIDWORKS? 軟件中為兩個面創(chuàng)建一個選擇，不再需要在二維軸對稱模型中選定十五條邊。

下圖為應(yīng)力分析結(jié)果。我們可以看到施加了最大扭矩（5000 Nm）時的 von Mises應(yīng)力。繪圖表明，應(yīng)力的最大值小于使用 A 級 10.9 級合金鋼時的檢測值，這說明管件設(shè)計可以使用此材料。

仿真繪圖顯示了施加了最大扭矩后的 von Mises 應(yīng)力。

在 COMSOL? 軟件中，你可以將復(fù)雜的 CAD 裝配與 COMSOL Multiphysics分析相結(jié)合，有效提升建模流程的效率。準確好了親手嘗試操作此教程嗎？