在ABAQUS中使用多孔介质模型
ABAQUS软件可以进行渗流/应力耦合分析,上一篇博文也提到过,ABAQUS里很多的本构模型可以与多孔介质一起结合使用,这意味着可以对那些本构模型描述的材料或对象进行渗流/应力耦合分析。ABAQUS使用孔压单元进行渗流/应力耦合分析,该孔压单元包含了位移和孔隙压力这两个基本自由度。结合孔压单元,设置材料的多孔介质属性(主要为渗透系数和初始孔隙比),就可以对现实对象的多孔介质属性进行建模。ABAQUS进行渗流/应力耦合分析的基本理论是Darcy定律和有效应力原理。
ABAQUS多孔介质属性设置
渗透系数设置
假设你已经给一种材料添加了弹性、塑性等力学行为,那么打开材料编辑对话框,按这样的步骤设置渗透系数:Other–>Por Fluid–>Permeability,弹出一下对话框,并添加了一个Permeability的材料行为。需要输入渗透系数和液体比重。如果你的分析中,材料发生很大的变形(孔隙比变化),导致渗透系数发生较大变化。那么渗透系数是随孔隙比变化的。ABAQUS是用渗透系数随孔隙比的变化曲线来描述这样的情形,这时需要输入很多行数据。如果渗透系数变化不大(或者假设不变)输入一行数据就可以了。随后还要记得输入液体的比重。如下图所示
设置初始 孔隙比
在分析开始前,需要对材料给定一个初始孔隙比,随后材料的孔隙比将会随变形而发生变化,将由ABAQUS计算得出。设置孔隙比在Load模块,步骤:单击预定义场按钮,设置Name,应用的分析步step,类型为设置为Other,Types设置为Void ratio。如下图4所示,然后单击Continue,然后选择在窗口或set管理器中需要设置的部件或区域,然后单击对话框的Continue,将弹出一个新的对话框,如图5所示。
在该对话框,可以编辑初始孔隙比。由于孔隙比是一个场变量,在不同的材料区域有可能是均匀的常数,有可能是线性变化的,有可能是与坐标成函数关系,也有可能是毫无规律的,通过测量获得。ABAQUS提供了多种方法定义初始孔隙比,包括一致性的常数、线性变化、函数关系和用户自定义等多种方式。这可以根据你自己的需要在这个对话框中进行设置,如图5所示。
在ABAQUS中使用多孔介质主要进行这几项设置:添加渗透系数,分析步设置为soil,设置孔压单元,设置初始孔隙比。其他的一些细节和辅助参数设置这里就不累赘了,具体参考ABAQUS用户手册或相关教材。多孔介质渗流在器官组织的液体流动、地下水流动、植物组织液体输送、环境污染物扩散、植物压榨提汁等等的现象中都会涉及到渗流。ABAQUS中不提供单独的孔压单元,若不考虑材料的变形,仍使用Pore Fluid/Stress单元,只是把材料的位移自由度约束(或者添加刚体约束)。如果材料发生较大变形,应力变化影响了材料的水力传导特性,那么就要考虑渗流/应力耦合分析,才能获得更准确的结果。
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