Snabzhenec-ufa.ru

Строительные материалы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Использование библиотек свойств материалов в COMSOL Multiphysics®

Использование библиотек свойств материалов в COMSOL Multiphysics®

Программное обеспечение COMSOL Multiphysics® и многие из его дополнительных модулей включают встроенные библиотеки материалов, которые представляют собой базы данных с материалами и связанными с ними свойствами материалов. Кроме того, имеется отдельный модуль «Библиотека свойств материалов», в котором представлено до 24 различных свойств для каждого из 3800 веществ, включенных в состав модуля версии 5.5. В этой статье мы рассмотрим встроенные библиотеки свойств материалов и модуль «Библиотека свойств материалов» и расскажем, как использовать данные из этих библиотек в расчётных моделях.

Библиотека свойств материалов

Модуль «Библиотека свойств материалов» (БСМ) содержит обширный набор свойств веществ (более 3800 веществ!), при этом для каждого вещества задано до 24 различных физических свойств, а также указаны ссылки на источники данных. Практически все физические свойства заданы как функции температуры. Как правило, для описания температурных зависимостей используются кусочно-заданные полиномиальные функции температуры T, поэтому входным параметром для таких функций может быть температура, рассчитанная в результате моделирования теплопередачи.

БСМ содержит обширный список материалов:

  • Элементы
  • Сплавы
    • Железо
    • Никель
    • Алюминий
    • Медь
    • Магний
    • Титан
    • И множество других
  • Инструментальные марки стали
  • Полиамиды
  • Полимерные материалы и композиты
  • Минералы и горные породы
  • Древесина
  • Термопласты, полиэфиры и сложные полиэфиры
  • Полупроводники и оптические материалы
  • Припои
  • Стоматологические материалы
  • Соли
  • Материалы топливных элементов и электрохимических аккумуляторов, электрокерамика
  • Стёкла, в том числе металлические
  • И многое другое

Для каждого вещества заданы физические свойства, которые часто необходимы при настройке физических интерфейсов COMSOL®:

  • Коэффициент теплопроводности
  • Коэффициент теплового расширения
  • Удельная теплоёмкость при постоянном давлении
  • Коэффициент электропроводности
  • Плотность
  • Модуль Юнга
  • Коэффициент Пуассона
  • Предел текучести и кривая упрочнения
  • Динамическая вязкость

Примечание: для разных типов веществ приводится разный набор физических свойств.

Вариации для материала

В БСМ также содержатся данные о свойствах различных модификаций или различных состояний одного и того же вещества, например, в разных диапазонах параметров состояния.

Читайте так же:
Размеры металлосайдинга под кирпич

На приведённом ниже изображении показаны свойства сплава меди UNS C10200 из БСМ, которые отображены в окне браузера материалов Material Browser графической оболочки COMSOL Desktop®. Доступны данные о физических свойствах этого материала при различных значениях коэффициента остаточного сопротивления, например, для отожжённой меди или для холоднотянутой 60% меди:


Медный сплав UNS C10200 в БСМ. Численные значения физических свойств материала приведены для нескольких модификаций. Нужный материал можно найти с помощью номеров Deutsches Institut für Normung (DIN) или номеров унифицированной системы нумерации (UNS), которые отображаются в списке Orientation/variation (Ориентация/модификация).

Источники данных о свойствах материалов

Для всех физических свойств, хранящихся в БСМ, приведены источники данных. Источник сведений о том или ином свойстве вещества можно найти, выбрав интересующее свойство в списке Properties. Информация об источнике данных появится в поле Property reference, расположенном под списком (см. рисунок выше).

Информация об источнике обычно содержит ссылки на журнал или научную статью, которые иногда дополняются веб-адресом онлайн-версии публикации. Там же приводятся данные о точности значений, опорных значениях температуры и давления и другая важная информация о свойствах вещества.

Встроенные библиотеки свойств материалов и модули расширения COMSOL Multiphysics®

Помимо отдельного модуля БСМ встроенные библиотеки свойств имеются и в других модулях расширения COMSOL Multiphysics:

Кроме того, пользователь может создавать свои собственные библиотеки материалов. Если кликнуть правой кнопкой мыши по узлу Material и выбрать команду Add to User-Defined Library, можно добавить описание свойств выбранного материала в пользовательскую библиотеку. В пользовательские библиотеки можно сохранять и полные описания структуры многослойных материалов.

Как использовать описание материалов в модели

Теперь давайте посмотрим, как работать с библиотеками материалов, добавлять материал в расчётную модель и использовать его физические свойства при моделировании.

Читайте так же:
Поризованный кирпич или утеплитель

Просмотр содержимого библиотек свойств материалов

В графической оболочке COMSOL Desktop предусмотрено два варианта для просмотра и добавления материалов в расчётную модель:

  1. Окно браузера материалов Material Browser позволяет не только посмотреть список доступных материалов, найти нужный и добавить его в модель, но ещё и получить полную информацию о веществе и его свойствах. Кроме того, здесь же можно создавать новые и импортировать существующие пользовательские библиотеки свойств материалов из MPH- или XML-файлов. Чтобы открыть браузер материалов, нужно кликнуть правой кнопкой мыши по узлу Materials и выбрать пункт Browse Materials, либо нажать кнопку Browse Materials на закладке Materials панели инструментов. Выше показан внешний вид окна Material Browser.
  2. Окно выбора материала Add Material позволяет быстро найти в библиотеке нужные материалы и добавить их в создаваемую расчётную модель либо как глобальные, либо как локальные материалы. Чтобы открыть окно выбора материала, нужно кликнуть правой кнопкой мыши по узлу Materials и выбрать пункт Add Material from Library или нажать кнопку Add Material на закладке Materials панели инструментов. Внешний вид окна выбора материалов показан на рисунке:


Окно Add Material, в котором можно быстро выбрать и добавить в расчётную модель нужный материал. Недавно использованные материалы расположены в верхней части списка.

Как найти нужный материал

И в окне Material Browser, и в окне Add Material в верхней части расположена поисковая строка Search, с помощью которой можно найти материал по его названию. Например, чтобы найти все сплавы, содержащие в своем составе золото, введите слово gold в качестве критерия поиска.

Также поиск материалов из БСМ можно осуществлять по номеру DIN или UNS, которые указаны для многих веществ, например, для разных марок сталей и различных сплавов.

Читайте так же:
Кирпич ручной формовки недостатки

Как построить график зависимости свойств материала

Как правило, физические свойства веществ в БСМ заданы в виде кусочно-полиномиальных зависимостей от температуры. В библиотеках, входящих в состав других модулей, некоторые физические свойства также заданы как функции температуры и других параметров, например, абсолютного давления. Однако, большая часть свойств веществ описаны фиксированным числовым значением. Если для описания свойства используется функция, то обычно конкретный вид её можно найти в подузле Piecewise.

В окне Settings настройки узла Piecewise можно найти формулы полиномов для каждого заданного интервала температуры, а нажав кнопку Plot, можно построить график функции Function Plot, описывающей зависимость выбранного свойства от температуры; график можно вывести, например, в отдельном графическом окне. Чтобы для того же графика создать отдельный узел 1D Plot Group в разделе Results дерева модели, нажмите кнопку Create Plot.


Кусочная функция, описывающая зависимость коэффициента теплопроводности железа k от температуры Т. График функции показывает, как изменяется коэффициент теплопроводности железа в интервале температуры от 0 до 1810 К.

Как использовать вещества из библиотек свойств материалов

По умолчанию физические интерфейсы настроены так, что большая часть физических свойств должна быть задана в описании материалов. Опция From material означает, что значение свойства будет определяться настройками материала, связанного с той частью расчётной области, в которой решаются уравнения текущего физического интерфейса.

На следующем графике показано окно Settings узла Solid интерфейса Heat Transfer in Solids. Здесь должны быть указаны свойства вещества, необходимые для решения уравнения теплопроводности в твердом теле:

  • Коэффициент теплопроводности
  • Плотность
  • Удельная теплоёмкость при постоянном давлении

Все значения здесь заданы с помощью опции From material, что позволяет загрузить значения из настроек материалов, связанных с теми же областями геометрической модели, с которыми связан и узел Solid. Чтобы учесть зависимость свойств вещества от температуры, можно использовать температурное поле, которое рассчитывается с помощью интерфейса теплопередачи.

Читайте так же:
Сайдинг под цветной кирпич


Все физические свойства, необходимые для моделирования теплопередачи в твердых телах, загружаются из настроек материалов.

Если интерфейс теплопередачи, в котором температура является искомой переменной, в расчётной модели COMSOL Multiphysics не используется, тогда требуемое значение можно указать в поле Temperature в разделе Model Input окна настроек. Ниже на рисунке ниже показано окно Settings настройки узла Current Conservation физического интерфейса для расчёта электрического потенциала Electric Currents. В этом случае можно выбрать либо опцию User defined и ввести значение или математическое выражение для температуры непосредственно, либо опцию Common model input, и тогда значение температуры будет загружено из настроек входных параметров расчётной модели. Входные параметры модели можно задать в настройках узла Default Model Input в разделе Global Definitions дерева модели, либо локально в настройках узла Model Input для текущего компонента модели.


Чтобы учесть зависимость свойств материала от температуры в интерфейсе Electric Currents, можно задать значение температуры самостоятельно, либо загрузить его из раздела входных параметров модели.

На рисунке показано окно Settings настройки узла Default Model Inputs. Здесь можно задать входные параметры модели, которые используются в физических интерфейсах и при описании свойств материалов. В данном случае температура является входным параметром, который задан в виде постоянного значения, соответствующего нормальным условиям (20°C).


Показано окно настройки узла Default Model Inputs, содержащее выражения для входных параметров модели (в данном случае, для температуры) и список узлов и интерфейсов, в которых эти параметры используются (параметр используется узлом Current Conservation, а также при расчёте некоторых свойств материала Iron).

Весь этот материальный мир

В этой статье мы кратко рассмотрели библиотеки свойств материалов, доступные в COMSOL Multiphysics и множестве модулей расширения. Библиотеки свойств материалов, включенные в модули расширения, содержат описания свойств тех веществ, которые представляют интерес для направлений физики, соответствующих областям применения модулей. Дополнительно представлен отдельный модуль «Библиотека свойств материалов», в котором содержатся сведения о свойствах более 3800 веществ, в том числе данные о температурных зависимостях и ссылки на источники информации. Для многих веществ в «Библиотеке свойств материалов» можно выбрать фазовое состояние или модификацию вещества и получить соответствующие им свойства.

Читайте так же:
Почему свинья ест кирпич

Мы рассказали, как найти нужное вещество, как построить график для зависимости его свойств от параметров состояния, чаще всего, от температуры, а также обсудили, как использовать данные из библиотек свойств материалов в расчётных моделях COMSOL Multiphysics. Дополнительная информация о библиотеках свойств материалов в COMSOL Multiphysics представлена на следующих ресурсах:

MatWeb является торговой маркой компании MatWeb, LLC.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector