岩土力学模块

提升岩土工程结构分析能力

在隧道工程、基坑开挖、边坡稳定性分析和支护结构设计等岩土工程领域,非线性材料模型的精准模拟是确保工程安全与可靠性的关键。“岩土力学模块”是结构力学模块的附加模块,内置了丰富的材料模型,能够精确模拟土壤、混凝土和岩石的复杂力学行为,涵盖变形、塑性、蠕变和失效等关键特性。此外,模块中还整合了通过 von Mises 和 Tresca 准则描述金属塑性的标准非线性材料模型,进一步增强了“结构力学模块”在安全评估与失效分析方面的功能,为岩土工程设计与分析提供了更全面的解决方案。

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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分布。

多物理场耦合分析专用岩土力学材料

岩土力学材料的仿真功能全面提升了“结构力学模块”的结构分析能力。为了在岩土工程分析中精准模拟真实世界的效应和复杂行为,用户可以将“岩土力学模块”与 COMSOL 产品库中的其他模块无缝结合,实现多物理场效应的耦合分析。例如,结合地下水流模块,能够高效模拟多孔介质流动、多孔弹性、溶质运移和传热等多物理场耦合现象。

岩土力学模块材料模型一览

本模块提供丰富的材料模型,以下是部分模型及其在软件中的界面展示。

“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

“岩土力学模块”可用于定义具备土壤塑性特性的材料模型,这些模型能够与线性和非线性弹性材料结合使用,并可灵活集成阻尼、热膨胀、纤维等特征。本模块内置了多种土壤模型,包括:

  • 莫尔-库仑
  • 德鲁克-普拉格
  • Matsuoka-Nakai
  • Lade-Duncan
  • 帽盖
    • 椭圆
    • 平面
    • 硬化
  • 截断
    • 平均应力
    • 朗肯
  • 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

“岩土力学模块”提供了强大的材料属性定义功能,能够精准模拟混凝土和岩石的失效准则,包括由于拉应力引起的失效行为。这些材料模型能够与线弹性材料非线性弹性材料 特征结合使用。模块内置了多种混凝土和岩石材料模型,包括:

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)在机械载荷作用下的变形行为通常表现为初始弹性变形。当应力或应变超过临界水平时,材料将经历从弹性阶段到非线性断裂阶段的转变。在达到临界值时,裂纹开始形成并逐渐扩展,最终导致材料断裂。裂纹的产生与扩展是脆性材料失效过程中的关键因素。针对这种复杂行为,存在多种理论描述。本模块提供以下损伤模型:

  • 标量损伤
  • Mazars 混凝土损伤
  • 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
“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 特征用于模拟即使在无穷小应变下仍表现出非线性应力-应变关系的土壤材料。本模块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
  • 大应变塑性
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度
“模型开发器”的特写视图,其中“弹塑性材料模型”节点处于选中状态,“图形”窗口中显示金属棒颈缩模型。

弹塑性延性材料

除了专为土壤设计的弹塑性材料模型外,“岩土力学模块”还提供适用于金属等延性材料的多种材料模型和塑性选项,包括:

  • von Mises
  • Tresca 准则
  • 用户定义的塑性
  • 大应变塑性
  • 各向同性和运动硬化
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度

此外,用户还可通过非线性结构材料模块获取更多弹塑性材料模型。

“非线性弹性材料”设置和一维绘图的特写视图。

非线性弹性

与超弹性材料(在中到大应变范围内表现出显著的非线性应力-应变关系)不同,非线性弹性材料即使在无穷小应变下也会呈现非线性应力-应变关系。模块内置了多种非线性弹性模型,包括:

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

更多材料模型可通过非线性结构材料模块获取,满足用户多样化的仿真需求。

“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

蠕变是指材料在足够高的温度下,受到应力(通常远低于屈服应力)作用时产生的非弹性瞬态变形现象。“岩土力学模块”支持用户根据实际需求灵活定义材料的蠕变行为,并输入自定义的非弹性应变率表达式。

如需更丰富的材料模型支持,还可以结合非线性结构材料模块使用,获得更强大的模拟能力,全面满足复杂工程分析需求。

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