黏彈性流體的案例
在 COMSOL 中模擬黏彈性流體
或者，如果你對研究聚合物感興趣，你可能會想到：當(dāng)對黏彈性流體施加一定的力時(shí)，流體如何開始看起來像繩子上的珠子。今天這篇文章讓我們來看一個(gè)使用 Oldroyd-B 聚合物的例子。
黏彈性流體
顧名思義，黏彈性流體是具有彈性的流體。當(dāng)黏彈性流體變形時(shí)，一定的力試圖使其恢復(fù)到未變形的狀態(tài)。這類流體包括：
聚合物熔體
油漆
蛋白質(zhì)懸浮液
油漆是一種黏彈性流體。
2020 年，聚合物流動模塊隨著 COMSOL Multiphysics? 軟件 5.6 版本一起發(fā)布，包括黏彈性流體模型。我們可以使用這些模型來解釋流體的彈性并預(yù)測其施加的力、涂層的均勻性和模具填充程度。
聚合物流動模塊中包含以下黏彈性流體模型：
Oldroyd-B 流體
Gisekus
FENE-P
LPTT
這里，我們將重點(diǎn)介紹 Oldroyd-B 流體的長絲由于表面張力效應(yīng)而拉伸時(shí)的模擬結(jié)果。如果你想逐步構(gòu)建這個(gè)模型，請至 COMSOL 官網(wǎng)下載：“黏彈性細(xì)絲的串珠結(jié)構(gòu)”教程模型。
模擬 Oldroyd-B 聚合物中的表面張力效應(yīng)
我們的示例模型是從建立一條長的、未拉伸的 Oldroyd-B 流體細(xì)絲開始的。細(xì)絲被建模為一個(gè)初始半徑有小幅擾動的液體圓柱體，流動被建模為軸對稱。
Oldroyd-B 流體被建模為聚合物在牛頓液體中的稀溶液。
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非牛頓流體
牛頓于1687年提出，水在作一維剪切流動時(shí)，其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率成正比關(guān)系。后來發(fā)現(xiàn)，只有水和空氣等流體才滿足這種剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率的線性關(guān)系，它們也因此被稱為牛頓流體。生活和生產(chǎn)中的大多數(shù)流體屬于非牛頓流體，它們在作一維剪切流動時(shí)，其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率之間呈非線性關(guān)系。
血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體都是非牛頓流體；牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物(聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠溶液等)也都是非牛頓流體。通常，這些物質(zhì)也稱為軟物質(zhì)。
射流脹大效應(yīng)
當(dāng)水從自來水管中流出時(shí)，水流的直徑與管子的直徑基本相當(dāng)。如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器流進(jìn)一根細(xì)管子，再從這根細(xì)管流出(擠出)時(shí)，射流束的直徑就會比細(xì)管大得多，兩者之比甚至?xí)^10，這種現(xiàn)象叫做射流脹大效應(yīng)。
射流脹大效應(yīng)對于聚合物生產(chǎn)具有很重要的意義。當(dāng)塑料熔液(一種非牛頓流體)從一個(gè)矩形截面的管口流出時(shí)，由于脹大效應(yīng)，矩形管口長邊處的塑料熔液的脹大比短邊處更加顯著，而在矩形管口長邊的中央脹得最大，結(jié)果從矩形管口擠出的塑料產(chǎn)品變成了橢圓形。因此，如果要求塑料產(chǎn)品是矩形截面，就必須把擠出管的管口做成向內(nèi)凹的雙曲型，這樣，經(jīng)過脹大最終才能形成矩形截面的產(chǎn)品。
射流脹大效應(yīng)在日常生活中隨處可見，擠牙膏就是一例。
爬桿效應(yīng)
非牛頓流體的黏彈性使得它在旋轉(zhuǎn)時(shí)也表現(xiàn)出與一般牛頓流體不同之處。在一有黏彈性流體(非牛頓流體的一種)的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)桿，黏彈性流體會向杯中心運(yùn)動，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實(shí)驗(yàn)桿的旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，也可以觀察到這一現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫爬桿效應(yīng)。
大飯店做點(diǎn)心時(shí)，要用攪拌機(jī)和面粉。中間那根攪拌桿四周的濕面粉(也是一種非牛頓流體)也會聚集在桿的周圍，產(chǎn)生爬桿效應(yīng)。
化工生產(chǎn)中常要將兩種或多種非牛頓流體混合，因此，在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。
展開 粘彈性邊界等效節(jié)點(diǎn)力公式的推導(dǎo)(黏彈性邊界)
等效節(jié)點(diǎn)力的計(jì)算在粘彈性邊界的地震動輸入中至關(guān)重要，公式的最終表達(dá)式很多論文中都有，但是對于初學(xué)者來說，直接使用可能會有些吃力。筆者在前不久發(fā)表的論文中對其進(jìn)行了細(xì)致的推導(dǎo)，現(xiàn)在正式版（印刷版）已經(jīng)刊出，正式版參考文獻(xiàn)鏈接如下，直接點(diǎn)擊文章標(biāo)題即可：
黏彈性人工邊界在ABAQUS中的實(shí)現(xiàn)及地震動輸入方法的比較研究
DOI: 10.13722/j.cnki.jrme.2019.1068
這里將正式版文獻(xiàn)中，正確完整的粘彈性邊界等效節(jié)點(diǎn)力公式推導(dǎo)放在下面以供大家參考（公式5-24），希望能及時(shí)地給大家?guī)硪恍椭嘈糯蠹夷艹晒?shí)現(xiàn)粘彈性邊界的地震動輸入。
展開 等效線性黏彈性本構(gòu)的應(yīng)用
有個(gè)困惑就是，做試驗(yàn)可以獲得不同圍壓下土體的最大剪切模量，以及剪切模量比與剪應(yīng)變，阻尼比和剪應(yīng)變的曲線，然后根據(jù)不同圍壓與最大剪切模量的關(guān)系就知道了公式中的k和n，做模擬的時(shí)候，在材料屬性輸入k,n,v,w，關(guān)鍵字中輸入各土體單元的震前圍壓，剪切模量比，阻尼比，最大剪應(yīng)變。如果假定震前圍壓為100，那在迭代過程用所用到的剪切模量比與剪應(yīng)變及阻尼比的曲線就是100kpa所對應(yīng)的曲線。但是如果考慮震前圍壓，就是先做靜力分析求出各單元的有效應(yīng)力作為關(guān)鍵字輸入中的第一列，那這樣的話基本一層土是一個(gè)應(yīng)力，也就是一層土一種圍壓，一種圍壓對應(yīng)一個(gè)最大剪切模量和關(guān)系曲線，迭代的時(shí)候不可能取每層土對應(yīng)圍壓的下土體的關(guān)系曲線，那么要用哪個(gè)圍壓下的關(guān)系曲線？對于正常固結(jié)土，最大的圍壓是密度*g*h，做土力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得以上關(guān)系曲線是根據(jù)土體深度來加的圍壓，那如果現(xiàn)在土體密度是2，模擬土體厚度為60m，最大圍壓就是1200kpa，迭代的時(shí)候要用圍壓1200kpa對應(yīng)的關(guān)系曲線嗎？可是考慮靜應(yīng)力之后，每層土一個(gè)圍壓，只有最下層土體圍壓才是1200
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abaqus粘彈性黏著接觸
目前在做粘彈性材料黏著接觸，跪求相關(guān)方向的大佬交流
abaqus黏彈性人工邊界的實(shí)現(xiàn)
網(wǎng)上的文章都挺多的，肝了一個(gè)月終于肝出matlab程序了，還是挺有成就感的，以后抗震分析可以一鍵生成了哈哈
Moldex3D模流分析之黏彈性分析模組
黏彈性分析簡介
Moldex3D黏彈性分析模塊能協(xié)助顯示塑料的黏彈性機(jī)制。因此，能顯示充填／保壓及冷卻階段時(shí)的流動殘留應(yīng)力。
此外，在仿真翹曲、退火及光學(xué)制程時(shí)也能考慮黏彈性的影響，使結(jié)果預(yù)測更合理也更精確。
Moldex3D黏彈性分析模塊功能導(dǎo)覽
在拉伸松弛實(shí)驗(yàn)中，典型塑料最常觀察到的行為如下圖所示。在溫度低時(shí)，彈性模數(shù)高，塑料是硬而脆的（玻璃區(qū)域，區(qū)域1）。隨著溫度升高，塑料在玻璃轉(zhuǎn)變溫度時(shí)表現(xiàn)得像彈性皮革（區(qū)域2）。當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí)，彈性模數(shù)再次達(dá)到一個(gè)高原區(qū)域（橡膠高原，區(qū)域3）。接著溫度再持續(xù)升高，彈性模數(shù)下降并導(dǎo)致相當(dāng)大的流動量（區(qū)域4）。如果溫度一直持續(xù)升高，塑料將變成黏稠的液體（區(qū)域5）。
在射出成型中，翹曲主要在區(qū)域1與2時(shí)受影響，流動殘留應(yīng)力或分子配向則主要在區(qū)域3至5時(shí)受影響。Moldex3D包含兩項(xiàng)黏彈性分析，一項(xiàng)用于翹曲預(yù)測，另一項(xiàng)則用于流動殘留應(yīng)力。
典型塑料的松弛模數(shù)－溫度
在不同區(qū)域時(shí)的時(shí)間依賴的相對重要性
注意：Moldex3D黏彈性分析模塊支持solid與eDesign網(wǎng)格模型。
1. 前處理 (Pre-processing)
Moldex3D黏彈性分析模塊支持Moldex3D項(xiàng)目中的所有分析類型，其前處理階段的步驟與基本模塊相似：
步驟1：產(chǎn)生網(wǎng)格模型
步驟2：建立新項(xiàng)目
步驟3：建立新組別
步驟4：選擇分析項(xiàng)目
以下將列出特定步驟的操作說明。
開始分析
1. 關(guān)于退火模擬 (For Annealing (Stress) Analysis)
Moldex3D也能將黏彈性分析應(yīng)用于退火模擬。使用者能在計(jì)算參數(shù)的應(yīng)力 (Stress) 卷標(biāo)中找到選項(xiàng)。在分析類型的下拉式選單中，選擇退火類型。
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復(fù)合材料固化過程仿真 黏彈性子程序
現(xiàn)出復(fù)合材料固化過程仿真 黏彈性子程序 ，本人從事復(fù)合材料固化過程、強(qiáng)度校核仿真數(shù)年，現(xiàn)已脫離此行業(yè)，有需要UMAT、UMATHT、UEXPAN、VUMAT等相關(guān)程序可以聯(lián)系我。
QQ：860536174
ex2-4黏彈性材料的循環(huán)剪切試驗(yàn)
ex2-4黏彈性材料的循環(huán)剪切試驗(yàn)
Moldex3D模流分析之黏彈性分析模塊Viscoelasticity
為什么使用黏彈性分析仿真(VE)?
塑料高分子具有部分黏性與部分彈性的特質(zhì)，并且黏彈性的效應(yīng)在不同的溫度與剪切變形下黏彈性質(zhì)均不同。如果僅使用一般流體及彈性模型，要正確地描述黏彈及相關(guān)性質(zhì)在成型過程中的變化與行為是非常困難的。為了讓材料性質(zhì)對產(chǎn)品的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)的影響更逼近真實(shí)，設(shè)計(jì)者需要有專業(yè)的CAE分析工具來預(yù)測流動行為及材料變化。Moldex3D 黏彈分析(VE)模塊協(xié)助用戶更方便的觀察模穴中塑料產(chǎn)生的變化，并進(jìn)而與翹曲分析及光學(xué)分析模塊整合進(jìn)行更進(jìn)階的分析。
Moldex3D 解決方案
? 計(jì)算塑料的黏性與彈性性質(zhì)
? 流動殘留應(yīng)力預(yù)測，得知各應(yīng)力分量在各階段下之變化
? 預(yù)測在固化及松弛時(shí)的應(yīng)力行為
? 預(yù)測成品之在空間中各點(diǎn)所承受之正向應(yīng)力與剪應(yīng)力
? 結(jié)合殘留應(yīng)力分析來預(yù)測光學(xué)性質(zhì)(需要光學(xué) (Optics) 模塊 )
? 預(yù)測殘留應(yīng)力
高分子的殘留應(yīng)力產(chǎn)生與其黏彈性質(zhì)高度相關(guān)，并可被歸類成熱導(dǎo)致的與流動導(dǎo)致的兩種殘留應(yīng)力。其對成品強(qiáng)度與斷裂等瑕疵的發(fā)生影響甚巨。
蒙麥斯應(yīng)力的預(yù)測結(jié)果
? 翹曲變形分析
在冷卻過程中，不同區(qū)域的溫度節(jié)會隨著時(shí)間而變化。而溫度的分布對于翹曲變型有著非常顯著的影響。如果能夠考慮塑料的黏彈性質(zhì)，則翹曲變型分析的結(jié)果將可以更接近真實(shí)成型中的熔膠流動行為。
（a）使用黏彈分析模組的結(jié)果 （b）未使用黏彈分析模組的結(jié)果
翹曲分析后的變形結(jié)果
? 退火制程分析
退火為利用玻璃化臨界下溫度來加熱射出成型成品的制程。此制程主要是為了降低成品中既有的應(yīng)力，以避免其所造成的變型或斷裂問題。應(yīng)力消除可以提供額外的安全性來通過成品可能會接觸到的各種嚴(yán)苛化學(xué)環(huán)境。Moldex3D 黏彈分析(VE)模塊幫助用戶來仿真退火制程并將溫度變化與應(yīng)力分布的結(jié)果可視化處理。
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COMSOL黏彈性動力邊界及地震動輸入
一、前言
粘彈性動力邊界是工程仿真中比較常用，效果也不錯(cuò)的局部時(shí)域人工動力邊界條件，目前已經(jīng)在ANASYS、ABAQUS和Fssicas等通用有限元軟件中有了較為通用的使用方法，但是在COMSOL這款以多物理場和PDE建模為特色的通用軟件中卻比較少見。因此本帖展示的是本人在COMSOL有限元平臺實(shí)現(xiàn)的粘彈性邊界的施加以及地震動輸入的介紹。
本貼采用的驗(yàn)證算例引用于文獻(xiàn)《黏彈性人工邊界在ABAQUS中的實(shí)現(xiàn)及地震動輸入方法的比較研究》-巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)-馬笙杰等。
下面是建模介紹和模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證。
二、模型建立
通過場外垂直入射sv波算例來驗(yàn)證黏彈性邊界設(shè)置和地震動輸入的準(zhǔn)確性。在二維無限彈性空間中截取長50m，高50m的有限元區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，設(shè)置模型的頂部中點(diǎn)和底部中點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)，如圖1所示，模型材料參數(shù)如下：密度為2000kg/m^3,彈性模量：2e8[Pa],泊松比0.25，剪切波速為200m/s，采用四邊形網(wǎng)格單元，網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m，在模型底部垂直輸入sv波，波形和速度圖像如圖2、3所示。持續(xù)時(shí)間為0.2s，計(jì)算時(shí)長為1s，計(jì)算時(shí)間步為0.001s，瞬態(tài)隱式求解，時(shí)間進(jìn)步方法為向后差分。
圖1 二維土體計(jì)算模型
圖2 入射波位移時(shí)程曲線圖
圖3 入射波速度時(shí)程曲線圖
計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示，入射波在經(jīng)過0.25s之后到達(dá)自由表面與反射波疊加，變成入射波位移的2倍，0.4s之后自由地表停止振動（圖中藍(lán)色部分為數(shù)值震蕩），說明入射波在底部黏彈性邊界處被吸收，沒有二次反射。
展開 Moldex3D模流分析之翹曲預(yù)測要精準(zhǔn) 材料黏彈性很重要
首先使用標(biāo)準(zhǔn)翹曲求解器來模擬純PBT，由于未考慮黏彈性，因此無法準(zhǔn)確預(yù)測出產(chǎn)品的翹曲趨勢。在改用納入黏彈性考慮的進(jìn)階求解器之后，便成功捕捉到較實(shí)際的翹曲結(jié)果。另一方面，在纖維強(qiáng)化塑料的部分，標(biāo)準(zhǔn)求解器和和進(jìn)階求解器皆可預(yù)測出準(zhǔn)確的翹曲現(xiàn)象，原因是非等向性材料特性，使得流動產(chǎn)生的纖維配向，會主導(dǎo)翹曲行為(圖二)。然而從中也可看到，若考慮黏彈性，仍可顯著提高其Z方向變形絕對量值的準(zhǔn)確性(圖三)。
圖二 纖維強(qiáng)化塑料的非等向性
圖三 兩種PBT材料的翹曲預(yù)測驗(yàn)證結(jié)果
結(jié)果
透過此研究，證實(shí)在模擬中考慮材料的黏彈性，是至關(guān)重要的。Moldex3D在納入考慮黏彈性之后，不管是預(yù)測純塑料或纖維強(qiáng)化塑料，都能提升翹曲預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性。
展開 【Moldex3D在線課程】3月9日-“黏度與黏彈性質(zhì)量測在模流分析之影響”
01
黏度與黏彈性質(zhì)量測在模流分析之影響
2023年03月09日
材料特性的掌握為模流分析準(zhǔn)確與否之最主要關(guān)鍵之一，塑料在成型過程經(jīng)歷加熱熔融、形變、壓縮、冷卻固化等復(fù)雜過程，塑料的狀態(tài)一直在變化(溫度、壓力、剪切率、…)，也因此材料性質(zhì)也不斷的變化，其中又以黏度與黏彈特性的變化量最為復(fù)雜與明顯，其變化的量值可高達(dá)百萬倍。
本會議概述如何更精準(zhǔn)的量測適合于完整的工藝范圍所需要的黏度與黏彈數(shù)據(jù)以及最新的鑒定方法，以及材料性質(zhì)在模流分析中的關(guān)聯(lián)性，除了可將仿真的準(zhǔn)確度提升檔次，更可透過模流分析更精確掌握工藝技術(shù)以及提升產(chǎn)品質(zhì)量。
新論文：黏彈性邊界中靜動力邊界轉(zhuǎn)化方法（地震靜動力耦合分析）
進(jìn)行地震靜動力耦合計(jì)算時(shí)，如果采用黏彈性邊界作為動力邊界條件，則會面臨靜動力邊界轉(zhuǎn)化的問題。而靜動力邊界條件與地應(yīng)力平衡橫容易混淆，地應(yīng)力平衡應(yīng)該包含在該過程中，許多文獻(xiàn)描述很模糊。新論文：《靜動力邊界轉(zhuǎn)換及其合理性驗(yàn)證方法的研究》給出了在進(jìn)行地震靜動力耦合計(jì)算時(shí)，靜力邊界條件（固定邊界）向動力邊界條件（黏彈性邊界）轉(zhuǎn)換的詳細(xì)步驟及檢驗(yàn)方法。論文鏈接：https://doi.org/10.11939/jass.20220136
標(biāo)簽：粘彈性邊界 黏彈性邊界 等效節(jié)點(diǎn)力 靜動力耦合模擬 靜動力邊界條件轉(zhuǎn)換 黏彈性邊界 疊加原理 地震反應(yīng) ABAQUS
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