岩土力学模块

扩展岩土工程应用的结构分析

分析隧道、开挖、边坡稳定性和挡土结构时需要使用专为岩土工程应用定制的非线性材料模型。“岩土力学模块”是结构力学模块的附加模块,其中包含的内置材料模型可用于模拟土壤、混凝土和岩石中的变形、塑性、蠕变和破坏。此外,模块中还包含通过 von Mises 和 Tresca 准则描述金属塑性的标准非线性材料模型,进一步增强了“结构力学模块”中包含的安全和失效评估特征。

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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。
 

用于多物理场建模的岩土力学材料本构模型

岩土力学材料建模功能可以增强“结构力学模块”支持的所有结构分析。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”中的特征和功能与 COMSOL 产品套件中的其他模块相结合,从而对多物理场效应进行耦合分析。例如,与地下水流模块结合使用时,可以对多孔介质流动、多孔弹性、溶质运移和传热进行建模。

岩土力学模块中的材料模型

下面列出许多可用的材料模型,以及它们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”,您可以定义表现为土壤塑性和弹塑性土壤的建模材料的属性。这些材料模型可以同线性和非线性弹性材料一起使用,其中提供以下土壤材料模型:

  • 莫尔-库仑
  • 德鲁克-普拉格
  • 椭圆端盖
  • 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”,您可以使用表示混凝土和岩石的失效准则(通常描述由拉应力导致的失效)来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,其中提供以下混凝土和岩石材料模型:

混凝土

  • Ottosen
  • Bresler-Pister
  • William-Warnke
  • 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。其中提供以下损伤模型:

  • 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
“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限小应变下也呈非线性的应力-应变关系。其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
  • 硬化土壤
  • 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

非线性结构材料模块还提供其他弹塑性材料模型。

“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相反,非线性弹性材料即使在无限小应变下也呈现非线性应力-应变关系。其中提供以下非线性弹性模型:

  • Ramberg-Osgood
  • 双曲定律
  • Hardin-Drnevich
  • Duncan-Chang
  • Duncan-Selig
  • 用户定义

本模块与“非线性结构材料模块”结合使用时,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

蠕变是一种非弹性的瞬态变形,当材料在足够高的温度下受到应力(通常远小于屈服应力)时就会发生这种变形。在“岩土力学模块”中,您既可以使用由用户定义的蠕变,也可以输入用户定义的非弹性应变率表达式。

本模块与“非线性结构材料模块”结合使用时,还提供其他材料模型。

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