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。

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。

非线性岩土特性建模仿真软件

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

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

o 隐式梯度

图中显示对堤坝运行边坡稳定性分析的情况，其中采用达西定律描述多孔土壤中的流体流动，用莫尔-库仑模型描述土壤塑性。结果显示路堤位移（表面图）和压力水头位移（流线图）。

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

o 隐式梯度

使用硬化土 材料模型模拟三轴试验。其中包含两个主要阶段：初始各向同性压缩和随后的轴向压缩/拉伸载荷。图中显示了 von Mises 应力与轴向应变的关系。

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 和非线性弹性材料 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

嵌入混凝土梁中的钢筋的轴向应力。本例采用多种材料模型对梁进行分析，包括 Ottosen 混凝土模型和 Mazars 损伤模型。

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

o 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。

由弹塑性材料制成的、具有非线性各向同性硬化的圆形金属棒受到单轴拉伸作用。

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

o 朗肯

o 平滑朗肯

o 弹性应变张量的模

o 用户定义

· 相场损伤

· 正则化

o 裂缝带

o 隐式梯度

o 黏性正则化

o Mazars 混凝土损伤

损伤 特征用于包含基于连续的损伤模型，其中的材料受载荷严重程度的影响而发生软化。图中显示使用裂缝带方法计算的切口梁失效过程中的损伤。

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。

使用计算高效的二维轴对称公式计算的轴中应力，以及扭矩与剪切应变的关系图。本例采用剪切数据 材料模型，该模型仅在“非线性结构材料模块”中提供。

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。

同时受到温度和内压载荷的长期蠕变。本例使用仅在“非线性结构材料模块”中提供的诺顿定律。