岩土力学模块

针对岩土工程应用而拓展的结构分析

在分析隧道、开挖、边坡稳定性和挡土结构等岩土工程应用时,相关材料常常需要特殊的非线性材料模型。“岩土力学模块”是结构力学模块的附加模块,包含一系列内置的材料模型,用于精确模拟土壤、混凝土和岩石中的变形、塑性、蠕变和破坏行为。此外,该模块还包含通过 von Mises 和 Tresca 准则描述金属塑性的标准非线性材料模型,以进一步增强“结构力学模块”中的安全性和失效评估特征。

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矩形混凝土梁模型,以彩虹色显示顶部和底部的钢筋应力。
 

岩土力学的多物理场建模功能

“岩土力学模块”提供的功能为“结构力学模块”提供全面的支持,能够增强结构分析的精确度。为了在岩土工程分析中准确反映真实世界的各种效应和现象,您可以将“岩土力学模块”中的功能与 COMSOL 产品库中的其他模块进行耦合,实现多物理场效应的耦合分析。例如,与地下水流模块耦合使用时,可以对多孔介质流动、多孔弹性、溶质运移和传热进行分析。

岩土力学模块中的材料模型

以下是本模块提供的一些材料模型及其在软件中的屏幕截图。

“土壤塑性”设置的特写视图,“图形”窗口中显示边坡稳定性模型。

土壤塑性

通过使用“岩土力学模块”,用户可以轻松定义表现为土壤塑性和弹塑性土壤的材料属性。这些材料模型可以同线性和非线性弹性材料一起使用。本模块提供以下土壤材料模型:

  • 莫尔-库仑
  • 德鲁克-普拉格
  • 椭圆端面
  • 拉伸截断
  • Matsuoka-Nakai
  • Lade-Duncan
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度
“混凝土”设置的特写视图,“图形”窗口中显示梁模型。

混凝土和岩石

借助“岩土力学模块”,用户能够基于失效准则(通常描述由拉应力导致的失效)来明确定义建模材料的属性。这些材料模型可以与线弹性材料非线性弹性材料 特征一起使用。本模块提供以下混凝土和岩石材料模型:

混凝土

  • Ottosen
  • Bresler-Pister
  • Willam-Warnke
  • 耦合损伤-塑性
  • Mazars 损伤
  • 拉伸截断

岩石

  • 原始 Hoek-Brown
  • 广义 Hoek-Brown
  • 拉伸截断
“损伤”设置的特写视图,“图形”窗口中显示切口梁模型。

损伤

准脆性材料(如混凝土或陶瓷)在机械载荷下的变形表现为初始弹性变形。如果超过应力或应变的临界水平,弹性阶段之后将出现非线性断裂阶段。当达到这个临界值时,裂纹会产生并扩展,直到材料断裂。裂纹的产生和扩展在脆性材料的破坏中起着重要的作用,这种特性可以通过许多理论来描述。本模块提供以下损伤模型:

  • 等效应变准则
    • 朗肯
    • 平滑朗肯
    • 弹性应变张量的模
    • 用户定义
  • 相场损伤
  • 正则化
    • 裂缝带
    • 隐式梯度
    • 黏性正则化
    • Mazars 混凝土损伤
“弹塑性土壤材料”设置的特写视图,“图形”窗口中显示一维绘图。

弹塑性土壤

弹塑性土壤材料 特征用于模拟土壤材料即使在无限小应变下也表现出非线性的应力-应变关系。软件中提供以下土壤材料模型:

  • 修正剑桥黏土模型
  • 修正的结构化剑桥黏土模型
  • 扩展巴塞罗那基本模型
  • 硬化土
  • 硬化土小应变
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度
“模型开发器”特写视图,其中“弹塑性材料模型”节点处于选中状态,“图形”窗口中显示棒颈缩模型。

弹塑性延性材料

除了用于土壤的弹塑性材料模型以外,您还可以通过“岩土力学模块”使用以下两种延性材料(如金属)的弹塑性模型:

  • von Mises
  • Tresca 准则
  • 用户定义的塑性
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度

此外,非线性结构材料模块还提供其他弹塑性材料模型供您选择。

“非线性弹性材料”设置的特写视图,两个“图形”窗口分别显示三维和一维绘图。

非线性弹性

与应力-应变关系在中等到大应变下变为高度非线性的超弹性材料不同,非线性弹性材料即使在无限小应变下也表现出非线性的应力-应变关系。本模块提供以下非线性弹性模型:

  • Ramberg–Osgood
  • 双曲定律
  • Hardin–Drnevich
  • Duncan–Chang
  • Duncan–Selig
  • 小应变叠加
  • 用户定义

与“非线性结构材料模块”结合使用时,模块中还提供其他材料模型。

“蠕变”设置的特写视图,“图形”窗口中显示中空球体三维模型。

蠕变

蠕变是材料在足够高的温度下受到应力(通常远小于屈服应力)时发生的一种非弹性瞬态变形。在“岩土力学模块”中,您可以根据需求使用由用户定义的蠕变模型,也可以输入用户定义的非弹性应变率表达式。

通过将本模块与“非线性结构材料模块”相结合,您还可以使用其他材料模型,以满足更广泛的需求。

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