固体），不需要ALE
流-固耦合接口
• 在流-固耦合接口中:
• 结构外部载荷是由流体力提供的 • 移动壁条件由结构速度场来设定 • 网格位移即为结构位移
• COMSOL Multiphysics自动计算壁上的流体力
- 预定义的表达式适用于总力
• 流-固耦合接口是三个物理接口的组合:
• 结构力学 • 层流 • 移动网格
网格剖分
• 规则几何结构，使用映射和扫掠网格剖分
弹性波地层传播
声固耦合接口
• 声固耦合 • 声壳耦合 • 声压电耦合
预定义耦合 接口
• 弹性波 • 多孔介质弹性波
• 多孔介质与其中饱和液的相互作用 • 基于BBiblioteka ot理论 • 快、慢纵波 • 横波
15.98KHz
声-固耦合
声-壳耦合
案例：声-壳耦合
弹性波传播问题
参数与几何
超弹性材料模型
• 右键固体力学，添加超弹性材料模型 • 在超弹性材料模型中通过下拉菜单选择Murnaghan
• 在材料定义节点中 定义其材料属性
对称边界
• 将图中所示的三个面定义为对称边界
描述位移边界
• 在左侧端面施加描述位 移边界条件，给出其在x 方向的位移表达式。
3D 稳态 FSI
• 几何: 拉伸 1.5e-5
3D 稳态 FSI
• 入口流速: 1[m/s]
3D 稳态 FSI
• 网格剖分: 物理控制, 单元尺寸- Extra Coarse
小技巧
• 使用带有平滑过渡的阶跃函数来开始瞬态分析
• 在前期尽量避免使用瞬态分析，以保证达到一致的初始条件
• 使用描述网格位移条件来降低移动网格（ALE）中 的低质量/反转网格
• 建立几何如图，这是音箱的防尘盖，材料为钛合金， 外加一层空气域，研究振动发声问题。
定义选择集
• 为方便后续操作，建立选择集，可以重命名。
声-壳耦合接口
• 使用声-壳耦合接口来进行模拟 • 在设定区中可以设
定壳体的厚度
内部壳
• 将壳体结构设定 为内部壳
描述位移
• 在内圈边界上施加描述 位移边界条件
3D 稳态 FSI
• 几何: 工作平面 1>几何>矩形 2 (宽 6e-5, 高 3e-5, 位置: x_corner 4e-5, y_corner 7e-5)
3D 稳态 FSI
• 几何: 工作平面 1>几何>并集 (去掉保留内部边界的勾选)
3D 稳态 FSI
• 几何: 工作平面 1>几何>圆角 (内部角点, radius1.5e-5)
内部声音硬边界（壁）
• 像壳一样，壁也分为内壁和外壁
球面波辐射
• 在球体表面上添加 球面波辐射边界
网格剖分
• 对于不同的区域定义不同的网格大小
频率响应分析
• 计算结构在1k[Hz]、6k[Hz]下的频率响应
压电问题
• 压电设备(pzd)
• 2D 固体 (平面应力, 平面应变和轴对称) • 3D 固体
两层复合板
• 右键点击线弹性材料模型 选择热膨胀
描述位移
• 结构左上角的点，施加 固定约束
• 结构右上角的点，添加 描述位移条件
三层复合板
• 右键点击线弹性材料 模型，添加热膨胀、 初始应力和应变
初始应力和应变
• 添加两层复合板的 热应力作为初始应力
描述位移
• 结构左上角的点，施加 固定约束
多物理场耦合
不同类型的流-固耦合
• 刚体大位移
– 使用移动网格描述固体位移 – 位移可以指明（旋转机械等） – 刚体运动可以使用ODE计算
• 弹性小变形
– 弹性体应力分析 – 结构变形很小，所以不需要使用移动网格
• 弹性大变形
– 结构变形很大，导致流道发生变化，需要使用移动网格。
流-固耦合
• 定义流体与固体域 • 流固耦合边界被自动定义 • 只需要定义物理性质（流体和
• 分析类型:
• 线性和非线性稳态分析 • 本征频率分析 (Resonant) • 阻尼固有频率分析 • 线性和非线性瞬态分析 • 频率响应分析
压电设备材料
• 材料模型设定
压电设备
• 正效果: 应力导致极化
• 逆效果: 电场导致应变
• 典型材料: COMSOL有23种压电材料属性
• 陶瓷 – 天然石英 • 铅锆钛酸(PZT) – 工程陶瓷 • 聚偏二氟乙烯(PVDF) – 聚合物
3D 稳态 FSI
• 几何: 参数 • 固体材料性质
3D 稳态 FSI
• 几何: 立方体 (长, 宽, 高)
3D 稳态 FSI
• 几何: 工作平面Workplane 1(yz 平面, x-coordinate = 8e-5)
3D 稳态 FSI
• 几何： 工作平面>几何>矩形 1 (宽 1.5e-5, 高 10e-5, 位置: x_corner 4e-5)
案例：3D 稳态FSI
• 使用预定义的流固耦合 接口，计算由流体流动 导致的固体变形
• 求解一个稳态问题
流体流动 出口
入口
其他边界:无滑移壁
流固交界面
结构力学 流体载荷 固定
求解器
• 默认求解器: 迭代求解器分离求解
• 减少内存占用 • 需要一个适当的网格
求解器
• 全耦合，直接求解器
• 内存占用，对于精细的网格需要更多的物理内存 • 鲁棒性。 能够在较粗糙的网格上进行计算。
其他边界为自由
设备
内部边界是电势和 接地
电势V0 = 1 [V] 在压电材料 色上表面
案例：压电设备
• 网格剖分
案例：压电设备
• 频率响应
• 做一个特征频率分析
案例：压电 • 找到模态频率
• 查看模态
设备
• 典型应用
• 声纳传感器 • 超声波清洗 • 打印头 • 影响设备 • 位置/力传感器和控制器（如自动对焦摄像头）
案例: 压电复 合梁
案例：压电设备
• 几何结构 PZT-5H 1000 μm x 200 μm x 10 μm
Silicon 1000 μm x 200 μm x 20 μm
案例：压电 固定端
• 定义体热源为固 体振动产生的总 能量密度
固体力学
• 右击线性弹性材料模型，添加阻尼条件
固定约束
• 左端端面设置固定约束
边界载荷
• 右端施加边界载荷，定义单位面积所受的力
网格剖分
• 按照默认的网格剖分设定进行剖分
瞬态求解器
• 设定求解步长 0至2秒，0.05秒 为一输出步长
• 使用分离迭代求解
• 结构右上角的点，添加 描述位移条件
网格划分
• 使用映射网格剖分
求解器设置
• 分步求解
案例：振动生热
几何模型
材料定义
• 分别定义为不同的材料（红色为钛，蓝色为铝）
物理定义
• 使用固体传热及固体力学接口
固体传热（温度）
• 定义左端面的温度
固体传热（热通量）
• 定义向周围散热的热通量
固体传热（热源）
热
摩 擦 搅 拌 焊 接
复 合 板 热 应 力 分 析
结构
热膨胀
振动生热
• 分析杆件结构小幅振动产生的热量
• 首先计算频域内 的线性热-弹性响应 • 然后计算热弹性动 力学 非线性的力学损 耗而产生的热量分布
案例：热应力分析
参数定义
• 定义上下板的温度
几何模型
• 建立三个矩形
材料定义
• 三层复合板分别定义三种材料属性
• 可能需要使用网格重新剖分
• 使用分离求解器来降低内存的消耗
• 求解顺序依次是流体变量
小技巧
• 自动网格重新剖分避免反转单元
小技巧
• 自动网格重新剖分避免反转单元
小技巧
• 自动网格重新剖分避免反转单元 • 自动网格重新剖分 开 自动网格重新剖分 关
小技巧
• 自动网格重新剖分
热--结构耦合