非线性结构材料模块

基于多种非线性材料模型,扩展结构分析的使用范围

许多材料都具有非线性应力-应变关系,在较高的应力和应变水平时尤其如此。对由这类材料组成的物体进行结构分析时,我们需要考虑这些非线性的影响。“非线性结构材料模块”是结构力学模块MEMS 模块的附加产品,包含了数十种材料模型,可以帮助您对各种固体材料进行建模。

类似的附加产品还有“岩土力学模块”,它同样也是“结构力学模块”的另一个附加模块,适用于分析岩土工程应用中的常见材料,如土壤和岩石。

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银色支架模型,用蓝色显示最大膨胀时的应力。
 

非线性结构材料的多物理场耦合功能

非线性材料建模功能可以增强“结构力学模块”或“MEMS 模块”支持的所有结构分析。通过将线弹性、超弹性或非线性弹性材料与非线性效应(如塑性、蠕变、黏塑性或损伤)相结合,利用 COMSOL Multiphysics® 软件的灵活性,只需单击几下鼠标即可实现多物理场耦合。不仅如此,您甚至还可以根据应力或应变不变量等来定义自己的材料模型、创建自定义的塑性流动法则或蠕变规律、或者自定义超弹性应变能密度函数。

COMSOL Multiphysics® 软件提供了内置的多物理场功能,可用于模拟热膨胀、孔隙压力、流固耦合以及更广泛的多物理场耦合现象。“非线性材料模块”中包含的所有结构材料都支持多物理场分析。

非线性结构材料模块中的材料模型

以下列出了模块提供的部分材料模型

“纤维”设置的特写视图,“图形”窗口中显示动脉壁模型。

超弹性

超弹性本构定律基于应变能密度函数来模拟应力和应变之间具有非线性关系的材料,这种材料常见于橡胶、泡沫和生物组织中。“非线性结构材料模块”提供了许多不同的超弹性材料模型,还支持自定义应变能密度函数。本模块提供以下超弹性模型:

  • Arruda-Boyce
  • Blatz-Ko
  • Delfino
  • 扩面管
  • Fung 各向异性
  • Gao
  • Gent
  • Mooney-Rivlin
    • 两参数
    • 五参数
    • 九参数
  • Murnaghan
  • Neo-Hookean
  • Ogden
  • St. Venant-Kirchhoff
  • Storakers
  • 范德华力
  • Varga
  • Yeoh
  • 纤维(各向异性超弹性)
    • Holzapfel-Gasser-Ogden
    • 线弹性
    • 用户定义的各向异性超弹性
  • 马林斯效应
    • Ogden-Roxburgh
    • Miehe
  • 大应变黏弹性
“多孔塑性”设置的特写视图,“图形”窗口中显示粉末压实机模型。

多孔塑性

分析土壤、多孔金属和混凝土的塑性变形与传统金属塑性变形的主要区别在于:其屈服函数和塑性势不仅与应力张量相关,还需要考虑多孔介质中的静水压力的影响。本模块提供以下多孔塑性模型:

  • Shima-Oyane
  • Gurson
  • Gurson-Tvergaard-Needleman
  • Fleck-Kuhn-McMeeking
  • FKM-GTN
  • 带帽的德鲁克-普拉格
  • 大应变多孔塑性
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度
“形状记忆合金”设置的特写视图,“图形”窗口中显示支架模型。

形状记忆合金

形状记忆合金是发生大变形后,在加热到一定温度以上后仍能回复到其原始形状的一种材料。“非线性结构材料模块”包含的材料模型为奥氏体和马氏体开始温度和结束温度,以及重要的相变参数提供必要的设置。其中提供两种常见的 SMA 模型:Lagoudas 和 Souza-Auricchio。

“蠕变”设置的特写视图,“图形”窗口中显示涡轮定子模型。

蠕变和黏塑性

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 COMSOL Multiphysics® 中,您可以通过添加额外的蠕变节点来组合使用多个蠕变模型。黏塑性材料模型用于速率相关的非弹性变形,此类模型也会发生蠕变,这是其特性的一部分。本模块提供以下蠕变和黏塑性模型:

  • 蠕变
    • Norton(幂律)
    • Norton-Bailey
    • Garofalo(双曲正弦)
    • Coble
    • Nabarro-Herring
    • Weertman
    • 用户定义的蠕变
    • 各向同性硬化
      • 瞬态硬化
      • 应变硬化
      • 用户定义
    • 热效应
      • 阿累尼乌斯
      • 用户定义
  • 黏塑性
    • Anand
    • Chaboche
    • Perzyna
    • 各向同性硬化
      • 线性
      • Ludwik
      • Johnson-Cook
      • Swift
      • Voce
      • Hockett-Sherby
      • 用户定义
    • 运动硬化
    • 线性
    • Armstrong-Frederick
    • Chaboche
“塑性”设置的特写视图,“图形”窗口中显示棒颈缩模型。

塑性

很多材料都具有明显的弹性变形区间,在这个范围内,材料的变形是可恢复的,并且与路径无关。然而,当应力超过一定的范围(即屈服极限 ),材料可能会出现永久塑性应变,弹塑性材料模型常用于分析金属和土壤。借助“非线性结构材料模块”,您可以为具有较小或较大塑性应变的弹塑性材料定义属性,如屈服面和塑性流动规则等。本模块提供以下塑性模型:

  • von Mises 屈服准则
  • Tresca 屈服准则
  • 正交各向异性 Hill 准则
  • 各向同性硬化
    • 线性
    • Ludwik
    • Johnson-Cook
    • Swift
    • Voce
    • Hockett-Sherby
    • 用户定义
  • 运动硬化
    • 线性
    • Armstrong-Frederick
    • Chaboche
  • 理想塑性硬化
  • 大应变塑性
  • 非局部塑性
    • 隐式梯度
“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成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。本模块提供以下非线性弹性模型:

  • Ramberg-Osgood
  • 幂律
  • 单轴数据
  • 剪切数据
  • 双线弹性

本模块与岩土力学模块结合使用时,还提供其他一些材料模型。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“黏塑性”节点;“图形”窗口中显示高尔夫球模型。

黏弹性

即使载荷不随时间发生变化,黏弹性材料受力后的变形也会随时间变化,许多聚合物和生物组织都表现出这种特性。“结构力学模块”和“MEMS 模块”中包含的线性黏弹性是一种常用的近似方法,其中应力与应变及其时间导数(应变率)呈线性关系。非线性弹性和超弹性材料模型可以扩展为具有黏弹性效应,以实现非线性应力-应变关系。本模块提供以下黏弹性模型:

  • 小应变黏弹性1
    • 伯格斯
    • 广义 Kelvin-Voigt
    • 广义麦克斯韦
    • Kelvin-Voigt
    • 麦克斯韦
    • 标准线性固体
    • 分数导数
    • 体积和偏量黏弹性
  • 温度效应
    • Williams-Landel-Ferry
    • 阿累尼乌斯
    • Tool-Narayanaswamy-Moynihan
    • 用户定义
  • 大应变黏弹性
    • 广义麦克斯韦
    • Kelvin-Voigt
    • 标准线性固体
“损伤”设置的特写视图,两个“图形”窗口分别显示二维和一维绘图。

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
  1. 包含在“结构力学模块”和“MEMS 模块”中

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