ジオメカニクスモジュール

地質工学アプリケーションの構造解析へ拡張

トンネルや掘削, 斜面安定, 擁壁構造物などの解析には, 地質工学応用に調整された非線形材料モデルが必要です. 構造力学モジュールのアドオンであるジオメカニクスモジュールには, 土壌, コンクリート, 岩石における変形, 可塑性, クリープ, 破壊などをモデル化するための材料モデルが組み込まれています. また, ミーゼスやトレスカの条件で金属塑性を記述する, 標準非線形材料モデルも含まれています. これらの材料モデルは, 構造力学モジュールに含まれている安全性と持久性の評価機能を強化します.

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上部と下部にレインボー鉄筋が配置された応力を示す長方形のコンクリート梁モデル.
 

マルチフィジックスモデリングのためのジオメカニクス材料

ジオメカニクス材料をモデル化する機能は, 構造力学モジュール内で利用可能なすべての構造解析を強化します. ジオメカニクスモジュールに COMSOL 製品の他のモジュールを組み合わせることで, 地質工学において現実世界での影響や動作を正確に考慮した, マルチフィジックス解析を行うことができます. たとえば, 地下水流モジュールでは, 多孔質媒体流, 多孔質弾性, 溶質輸送, 熱伝導などのモデル化が可能です.

ジオメカニクスモジュールの材料モデル

数多くの利用可能な材料モデルと, ソフトウェアでの実装のスクリーンショットは以下になります.

グラフィックスウィンドウの土壌塑性設定と斜面安定モデルのクローズアップ図.

土壌の可塑性

ジオメカニクスモジュールでは, 土壌の可塑性を示す材料や弾塑性土壌をモデル化するための特性を定義することができます. この材料モデルは, 線形および非線形の弾性材料と一緒に使用できます. 以下の土壌材料モデルが利用可能です:

  • Mohr–Coulomb
  • Drucker–Prager
  • Elliptic cap
  • Tension cutoff
  • Matsuoka–Nakai
  • Lade–Duncan
  • Nonlocal plasticity
    • Implicit gradient
グラフィックウィンドウのコンクリート設定と梁モデルのクローズアップ図.

コンクリートと岩石

ジオメカニクスモジュールでは, コンクリートと岩石の代表的な破壊規準の材料をモデリングするための属性を定義でき, 通常は, 引張応力による破損を記述します. これらの材料モデルは, 線形弾性材料, 非線形弾性材料の機能と一緒に使用できます. 次のコンクリートおよび岩石材料モデルが利用可能です:

コンクリート

  • Ottosen
  • Bresler–Pister
  • William–Warnke
  • Tension cutoff

岩石

  • Original Hoek–Brown
  • Generalized Hoek–Brown
  • Tension cutoff
グラフィックウィンドウの損傷設定とノッチ付き梁モデルのクローズアップ図.

損傷

機械的負荷を受けたコンクリートやセラミックなどの準脆性材料の変形は, 初期の弾性変形によって特徴づけられます. 臨界応力や臨界ひずみを超えると, 弾性のフェーズから, 非線形破壊のフェーズへと遷移します. この臨界値に達すると, 亀裂が成長して広がり, 材料が破壊されます. 亀裂の発生と成長は, 脆性材料の破壊に重要な役割を果たしており, そのような挙動を説明する多くの理論が存在します. 以下の損傷モデルが利用可能です:

  • Equivalent strain criterion
    • Rankine
    • Smooth Rankine
    • Norm of elastic strain tensor
    • User defined
  • Phase field damage
  • Regularization
    • Crack band
    • Implicit gradient
    • Viscous regularization
弾塑性土壌材料設定のクローズアップビューとグラフィックスウィンドウの1D プロット.

弾塑性土壌

弾塑性土壌材料の機能は, 微小なひずみでも非線形となる, 応力-ひずみの関係をモデル化するために使用されます. 以下の土壌材料モデルが利用可能です:

  • Modified Cam–Clay
  • Modified structured Cam–Clay
  • Extended Barcelona basic
  • Hardening soil
  • Nonlocal plasticity
    • Implicit gradient
弾塑性材料モデルノードが選択され, グラフィックウィンドウにバーネッキングモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

弾塑性延性材料

ジオメカニクスモジュールでは, 弾塑性土壌材料モデルに加え, 金属など, 延性材料に向けた以下の2つの弾塑性モデルが利用できます:

  • von Mises
  • Tresca
  • User-defined plasticity
  • Nonlocal plasticity
    • Implicit gradient

追加の弾塑性材料モデルは, 非線形構造材料モジュールで利用可能です.

非線形弾性材料設定のクローズアップビューと, 3D および1D プロットの2つのグラフィックウィンドウ.

非線形弾性

中程度から大きなひずみで応力‐ひずみ関係が大幅に非線形になる超弾性材料とは対照的に, 非線形弾性材料は, 微小ひずみでも非線形の応力‐ひずみ関係を示します. 以下の非線形弾性モデルを使用できます:

  • Ramberg–Osgood
  • Hyperbolic law
  • Hardin–Drnevich
  • Duncan–Chang
  • Duncan–Selig
  • User defined

追加の材料モデルは, 非線形構造材料モジュールで利用可能です.

グラフィックウィンドウのクリープ設定と3D 中空球モデルのクローズアップ図.

クリープ

クリープは, 材料が十分に高い温度で, 応力 (通常は降伏応力よりはるかに小さい) にさらされたときに発生する時間依存の非弾性変形です. ジオメカニクスモジュールでは, ユーザー定義のクリープが利用可能であり, ユーザー定義の非弾性ひずみ速度式を入力することもできます.

追加の材料モデルは, 非線形構造材料モジュールで利用可能です.

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