Geomechanics Module

Erweitern Sie Strukturanalysen für geotechnische Anwendungen

Die Analyse von Tunneln, Baugruben, Hangstabilitäten und Stützkonstruktionen erfordert nichtlineare Materialmodelle, die auf geotechnische Anwendungen zugeschnitten sind. Das Geomechanics Module, ein Add-On zum Structural Mechanics Module, enthält integrierte Materialmodelle zur Modellierung von Verformung, Plastizität, Kriechen und Versagen in Böden, Beton und Gestein. Das Modul enthält auch übliche nichtlineare Materialmodelle zur Beschreibung der Metallplastizität durch die von Mises- und Tresca-Kriterien. Diese Materialmodelle erweitern die im Structural Mechanics Module enthaltenen Funktionalitäten zur Sicherheits- und Versagensbewertung.

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Modell eines rechteckigen Betonbalkens, das die Spannung der oben und unten angeordneten Bewehrungsstäbe regenbogenfarben zeigt
 

Geomechanische Materialien für die Multiphysik-Modellierung

Die Funktionalitäten für die Modellierung geomechanischer Materialien ergänzen alle Strukturanalysen, die im Structural Mechanics Module verfügbar sind. Um reale Effekte und Verhaltensweisen in Ihren geotechnischen Analysen genauer zu berücksichtigen, können Sie Multiphysik-Effekte einbeziehen, indem Sie die Features und Funktionalitäten des Geomechanics Module mit anderen Modulen der COMSOL-Produktpalette kombinieren. Beispielsweise können Sie mit dem Subsurface Flow Module die Strömung poröser Medien, Poroelastizität, den Transport gelöster Stoffe und den Wärmetransport modellieren.

Materialmodelle im Geomechanics Module

Nachfolgend sind die zahlreichen verfügbaren Materialmodelle mit Screenshots ihrer Implementierung in der Software aufgeführt.

Eine vergrößerte Ansicht der Einstellungen für die Bodenplastizität und ein Hangstabilitätsmodell im Grafikfenster.

Bodenplastizität

Mit dem Geomechanics Module können Sie die Eigenschaften für die Modellierung von Materialien mit Bodenplastizität und elastoplastischem Boden definieren. Dieses Materialmodell kann zusammen mit linearen und nichtlinearen elastischen Materialien verwendet werden. Die folgenden Bodenmaterialmodelle sind verfügbar:

  • Mohr–Coulomb
  • Drucker–Prager
  • Elliptische Kappe
  • Spannungstrennung
  • Matsuoka–Nakai
  • Lade–Duncan
  • Nichtlokale Plastizität
    • Impliziter Gradient
Eine vergrößerte Ansicht der Einstellungen für Beton und ein Balkenmodell im Grafikfenster.

Beton und Gestein

Mit dem Geomechanics Module können Sie die Eigenschaften für die Modellierung von Materialien mit Versagenskriterien definieren, die für Beton und Gestein repräsentativ sind und typischerweise ein Versagen aufgrund von Zugspannungen beschreiben. Diese Materialmodelle können zusammen mit den Funktionalitäten Linear elastic material (Linear-elastisches Material) und Nonlinear elastic material (Nichtlinear-elastisches Material) verwendet werden. Die folgenden Materialmodelle für Beton und Gestein sind verfügbar:

Beton

  • Ottosen
  • Bresler-Pister
  • William-Warnke
  • Spannungstrennung

Gestein

  • Originales Hoek–Brown
  • Verallgemeinertes Hoek–Brown
  • Spannungstrennung
Eine vergrößerte Ansicht der Schadensmodelleinstellungen und ein gekerbtes Balkenmodell im Grafikfenster

Schädigungsmodelle

Die Verformung von quasi-spröden Materialien wie Beton oder Keramik unter mechanischer Belastung ist durch eine anfängliche elastische Verformung gekennzeichnet. Wird ein kritischer Spannungs- oder Dehnungswert überschritten, folgt auf die elastische Phase eine nichtlineare Bruchphase. Wenn dieser kritische Wert erreicht wird, wachsen die Risse und breiten sich aus, bis das Material bricht. Das Auftreten und das Wachstum der Risse spielen eine wichtige Rolle beim Versagen spröder Werkstoffe, und es gibt eine Reihe von Theorien zur Beschreibung dieses Verhaltens. Die folgenden Schadensmodelle sind verfügbar:

  • Kriterium der äquivalenten Dehnung
    • Rankine
    • Glatter Rankine
    • Norm des elastischen Dehnungstensors
    • Benutzerdefiniert
  • Phasenfeld-Schaden
  • Regularisierung
    • Rissband
    • Impliziter Gradient
    • Viskose Regularisierung
Eine vergrößerte Ansicht der Einstellungen für das elastoplastische Bodenmaterial und ein 1D-Plot im Grafikfenster..

Elastoplastischer Boden

Das Feature Elastoplastisches Bodenmaterial dient der Modellierung von Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, die selbst bei infinitesimalen Dehnungen nichtlinear sind. Die folgenden Bodenmaterialmodelle sind verfügbar:

  • Modifiziertes Cam–Clay
  • Modifiziertes strukturiertes Cam–Clay
  • Erweiterte Barcelona-Basis
  • Bodenverfestigung
  • Nichtlokale Plastizität
    • Impliziter Gradient
Eine vergrößerte Ansicht des Modell Builder mit dem ausgewählten Knoten Elastoplastisches Materialmodell und einem Stabeinschnürung-Modell im Grafikfenster.

Elastoplastische duktile Materialien

Zusätzlich zu den elastoplastischen Materialmodellen für Böden bietet das Geomechanics Module Zugang zu den folgenden elastoplastischen Modellen für duktile Materialien, wie z.B. Metalle:

  • von Mises
  • Tresca
  • Benutzerdefinierte Plastizität
  • Nichtlokale Plastizität
    • Impliziter Gradient

Weitere elastoplastische Materialmodelle sind im Nonlinear Structural Materials Module verfügbar.

Eine vergrößerte Ansicht der Einstellungen für das nichtlineare elastische Material und zwei Grafikfenster mit einem 3D- und einem 1D-Plot.

Nichtlineare Elastizität

Im Gegensatz zu hyperelastischen Materialien, bei denen die Spannungs-Dehnungs-Beziehung bei mittleren bis großen Dehnungen deutlich nichtlinear wird, weisen nichtlinear-elastische Materialien selbst bei kleinsten Dehnungen nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehungen auf. Die folgenden nichtlinearen Elastizitätsmodelle sind verfügbar:

  • Ramberg-Osgood
  • Hyperbolisches Gesetz
  • Hardin-Drnevich
  • Duncan-Chang
  • Duncan-Selig
  • Benutzerdefiniert

Zusätzliche Materialmodelle sind mit dem Nonlinear Structural Materials Module verfügbar.

Eine vergrößerte Ansicht der Kriech-Einstellungen und ein 3D-Hohlkugelmodell im Grafikfenster.

Kriechen

Kriechen ist eine unelastische, zeitabhängige Verformung, die auftritt, wenn ein Material bei ausreichend hohen Temperaturen einer Spannung (typischerweise weit unter der Fließspannung) ausgesetzt wird. Im Geomechanics Module ist benutzerdefiniertes Kriechen verfügbar, sowie die Möglichkeit, benutzerdefinierte inelastische Dehnungsratenausdrücke einzugeben.

Zusätzliche Materialmodelle sind mit dem Nonlinear Structural Materials Module verfügbar.

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