Геомеханика

Расширение возможностей прочностного анализа для геотехнических приложений

Для моделирования тоннелей и выработок, анализа устойчивости откосов и подпорных сооружений требуются нелинейные модели материалов, специально адаптированные для геотехнических задач. Модуль «Геомеханика» является дополнением к модулю «Механика конструкций» пакета численного моделирования COMSOL Multiphysics®. В модуле «Геомеханика» представлены модели материалов, предназначенные для анализа деформаций, пластичности, ползучести, а также повреждения грунтов, горных пород и бетона. Кроме того, в модуль включены стандартные нелинейные модели материалов, описывающие пластичность металлов на основе критериев Мизеса и Треска. Эти модели материалов улучшают опции оценки безопасности и отказа конструкции, содержащиеся в модуле «Механика конструкций».

Связаться с COMSOL
Модель прямоугольной бетонной балки, демонстрирующая напряжения, с радужными арматурными стержнями, расположенными сверху и снизу.
 

Геомеханические материалы для моделирования мультифизических процессов

Функциональные возможности моделирования геомеханических материалов расширяют возможности прочностного анализа, доступные в модуле «Механика конструкций». Для точного и реалистичного анализа явлений и процессов в геотехнических системах вы можете учесть мультифизические эффекты, комбинируя интерфейсы и функциональные возможности модуля «Геомеханика» с интерфейсами других модулей из набора продуктов COMSOL®. Например, с помощью инструментов модуля «Течение в пористых средах» можно моделировать течение жидкости в пористых средах, эффекты пороупругости, процессы переноса массы в растворах, а также теплопередачу в жидкостях и пористых средах.

Модели материалов в модуле «Геомеханика»

Ниже перечислены различные доступные модели материалов и скриншоты с примерами их реализации в программном обеспечении.

Крупный план настроек узла Soil Plasticity и модель устойчивости откоса в графическом окне.

Пластичность грунта

С помощью модуля «Геомеханика» вы можете определить свойства для моделирования грунтов, демонстрирующих пластичность и упругопластичность. Такая модель материала может использоваться вместе с линейными и нелинейными упругими материалами. Доступны следующие модели грунтовых материалов:

  • Мора-Кулона (Mohr–Coulomb)
  • критерий Друкера-Прагера (Drucker–Prager)
  • эллиптического предела (Elliptic cap)
  • усечения в области растяжения (Tension cutoff)
  • критерий Матсуока-Накаи (Matsuoka–Nakai)
  • критерий Ладе-Дункана (Lade–Duncan)
  • нелокальная пластичность (Nonlocal plasticity)
    • Неявный градиент (Implicit gradient)
Крупный план настроек узла Concrete и модель балки в графическом окне.

Бетон и горные породы

Модуль «Геомеханика» позволяет определять свойства для моделирования материалов с критериями разрушения, характерными для бетона и горных пород. В таких критериях обычно считается, что разрушение возникает из-за растягивающего напряжения. Эти модели материалов могут быть использованы совместно с узлами Linear Elastic Material и Nonlinear Elastic Material. Доступны следующие модели бетона и горных пород:

Модели бетона

  • Оттосена (Ottosen)
  • Бреслера-Пистера (Bresler–Pister)
  • Вильяма-Варнке (William–Warnke)
  • усечения в области растяжения (Tension cutoff)

Модели горных пород

  • оригинальная Хука-Брауна (Original Hoek–Brown)
  • обобщенная Хука-Брауна (Generalized Hoek–Brown)
  • усечения в области растяжения (Tension cutoff)
Крупный план настроек узла Damage и модель балки с надрезом в графическом окне.

Повреждение материала

Деформация квазихрупких материалов, таких как бетон или керамика, под действием механических нагрузок характеризуется изначальными упругими деформациями. Если достигается критический уровень напряжений или деформаций, за упругой фазой следует нелинейная фаза разрушения. Как только достигается это критическое значение, трещина растёт и распространяется до разрушения материала. Возникновение и рост трещины играют важную роль в разрушении хрупкого материала, существует ряд теорий для описания такого поведения. Доступны следующие модели разрушения:

  • критерий эквивалентных деформаций (Equivalent strain criterion)
    • критерий Ренкина (Rankine)
    • сглаженный критерий Ренкина (Smooth Rankine)
    • норма тензора упругих деформаций (Norm of elastic strain tensor)
    • заданный пользователем критерий (User defined)
  • метод фазового поля (Phase field damage)
  • регуляризация (Regularization)
    • область формирования трещины (Crack band)
    • неявный градиент (Implicit gradient)
    • вязкостная регуляризация (Viscous regularization)
Крупный план настроек узла Elastoplastic Soil и одномерный график в графическом окне.

Упругопластический грунт

Узел Elastoplastic Soil Material используется для моделирования материалов, в которых зависимость напряжений от деформаций нелинейна даже для малых деформаций. Доступны следующий модели грунта:

  • модифицированная Кэм-Клея (Modified Cam–Clay)
  • модифицированная Кэм-Клея для безкогезионных сред (Modified structured Cam–Clay)
  • расширенная Барселонская базовая (Extended Barcelona basic)
  • упрочнения грунта (Hardening soil)
  • нелокальная пластичность (Nonlocal plasticity)
    • неявный градиент (Implicit gradient)
Крупный план дерева модели с выбранным узлом Elastoplastic Material Model и модель с образованием шейки стержне графическом окне.

Материалы с пластичностью

В дополнение к упругопластическим моделям грунта модуль «Геомеханика» предоставляет вам доступ к следующим двум упругопластическим моделям для таких материалов, как, например, металлы:

  • критерий Мизеса (von Mises)
  • критерий Треска (Tresca)
  • пластичность, заданная пользователем (User-defined plasticity)
  • нелокальная пластичность (Nonlocal plasticity)
    • неявный градиент (Implicit gradient)

Дополнительные упругопластические модели материалов доступны в модуле «Нелинейные материалы».

Крупный план настроек узла Nonlinear Elastic Material и два графических окна для трёхмерных и одномерных графиков.

Нелинейная упругость

В отличие от гиперупругих материалов, где зависимость напряжений от деформации становится нелинейной при средних и больших деформациях, нелинейные упругие материалы демонстрируют нелинейность даже при бесконечно малых деформациях. Доступны следующие модели нелинейной упругости:

  • Рамберга-Осгуда (Ramberg–Osgood)
  • гиперболический закон (Hyperbolic law)
  • Хардина-Дрневича (Hardin–Drnevich)
  • Дункана-Чанга (Duncan–Chang)
  • Дункана-Селига (Duncan–Selig)
  • уравнения, заданные пользователем (User defined)

Дополнительные модели материалов доступны в модуле «Нелинейные материалы».

Крупный план настроек узла Creep и трёхмерная модель полой сферы в графическом окне.

Ползучесть

Ползучесть — это неупругая, зависящая от времени деформация, которая возникает, когда материал подвергается действию напряжений (чаще значительно ниже предела текучести) при достаточно высоких температурах. В модуле «Геомеханика» доступны модели ползучести, в том числе, заданные пользователем выражения для определения скорости неупругой деформации.

Дополнительные модели материалов доступны при наличии модуля «Нелинейные материалы».

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе