多孔彈性
關(guān)注創(chuàng)建者：阮恆豐 創(chuàng)建時間：2021-04-29
多孔彈性的實(shí)例教程
本文我們將通過數(shù)值研究探討一種能夠在靜水壓力的作用下膨脹的多孔彈性超材料（由帶空隙的單一材料制成）。
超材料與 3D 打印結(jié)合
“3D 打印”和“超材料”具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠制造定制的醫(yī)療植入物，打印房屋，應(yīng)用于聲學(xué)隱形技術(shù)，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機(jī)。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術(shù)的結(jié)合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復(fù)雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術(shù)而言相當(dāng)困難或不可能實(shí)現(xiàn)。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學(xué)（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩(wěn)定和靜態(tài)條件下表現(xiàn)出獨(dú)特的負(fù)等效壓縮性力學(xué)性能的超材料。
研究具有負(fù)等效壓縮效應(yīng)的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復(fù)合材料，當(dāng)周圍環(huán)境產(chǎn)生的靜水壓力增加時，將發(fā)生各向同性的膨脹。大多數(shù)天然彈性材料的反應(yīng)與之相反，當(dāng)周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現(xiàn)象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。超材料由單一的普通固體成分構(gòu)成，材料內(nèi)為中空的三維十字結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱藏空間包含恒壓空氣。每個十字的末端都有圓形的膜片。
當(dāng)周圍壓力與十字結(jié)構(gòu)中的壓力不同時，膜片向內(nèi)或向外彎曲。在膜片變形的作用下，與膜片非對稱相連的桿狀物使十字結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。
展開 本文我們將通過數(shù)值研究探討一種能夠在靜水壓力的作用下膨脹的多孔彈性超材料（由帶空隙的單一材料制成）。
超材料與 3D 打印結(jié)合
“3D 打印”和“超材料”具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠制造定制的醫(yī)療植入物，打印房屋，應(yīng)用于聲學(xué)隱形技術(shù)，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機(jī)。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術(shù)的結(jié)合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復(fù)雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術(shù)而言相當(dāng)困難或不可能實(shí)現(xiàn)。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學(xué)（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩(wěn)定和靜態(tài)條件下表現(xiàn)出獨(dú)特的負(fù)等效壓縮性力學(xué)性能的超材料。
研究具有負(fù)等效壓縮效應(yīng)的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復(fù)合材料，當(dāng)周圍環(huán)境產(chǎn)生的靜水壓力增加時，將發(fā)生各向同性的膨脹。大多數(shù)天然彈性材料的反應(yīng)與之相反，當(dāng)周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現(xiàn)象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。超材料由單一的普通固體成分構(gòu)成，材料內(nèi)為中空的三維十字結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱藏空間包含恒壓空氣。每個十字的末端都有圓形的膜片。
當(dāng)周圍壓力與十字結(jié)構(gòu)中的壓力不同時，膜片向內(nèi)或向外彎曲。在膜片變形的作用下，與膜片非對稱相連的桿狀物使十字結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。
展開 在文本中，我們將通過數(shù)值研究探討一種能夠在靜水壓力的作用下膨脹的多孔彈性超材料（由帶空隙的單一材料制成）。
超材料與 3D 打印結(jié)合
“3D 打印”和“超材料”是“COMSOL 文章”版塊的兩個熱門話題。它們具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠制造定制的醫(yī)療植入物，打印房屋，應(yīng)用于聲學(xué)隱形技術(shù)，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機(jī)。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術(shù)的結(jié)合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復(fù)雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術(shù)而言相當(dāng)困難或不可能實(shí)現(xiàn)。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學(xué)（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩(wěn)定和靜態(tài)條件下表現(xiàn)出獨(dú)特的負(fù)等效壓縮性力學(xué)性能的超材料。
研究具有負(fù)等效壓縮效應(yīng)的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復(fù)合材料，當(dāng)周圍環(huán)境產(chǎn)生的靜水壓力增加時，將發(fā)生各向同性的膨脹。大多數(shù)天然彈性材料的反應(yīng)與之相反，當(dāng)周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現(xiàn)象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。超材料由單一的普通固體成分構(gòu)成，材料內(nèi)為中空的三維十字結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱藏空間包含恒壓空氣。每個十字的末端都有圓形的膜片。
當(dāng)周圍壓力與十字結(jié)構(gòu)中的壓力不同時，膜片向內(nèi)或向外彎曲。在膜片變形的作用下，與膜片非對稱相連的桿狀物使十字結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。
展開 壓力變化可能會導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)中的多孔材料被損壞，進(jìn)一步引起流體流動及結(jié)構(gòu)的逐漸垮塌和下沉。借助 COMSOL Multiphysics 的多物理場仿真功能和多孔彈性接口，我們可以對多孔材料進(jìn)行精確分析，以評估和避免這類結(jié)構(gòu)中發(fā)生的變形。
研究多孔彈性以建立牢固地基
當(dāng)您在森林中徒步旅行時，會遇到各種多孔介質(zhì)：如地基土、巖石，甚至是您自己的生物組織。多孔介質(zhì)由固體材料構(gòu)成，被稱為多孔基體，其內(nèi)部包含有孔隙互通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并填充滿流體。我們可以想象一下廚房中吸滿了水的海綿，這就是多孔介質(zhì)的一個例子。
位于加利福尼亞州的莫諾湖（Mono Lake）水面上的多孔巖層。
當(dāng)多孔基體由固體彈性材料組成，且其內(nèi)部流體為黏性流體時，這種材料就稱為多孔彈性材料。多孔彈性的研究已應(yīng)用于巖土力學(xué)中的儲層、水壩、及能量樁等結(jié)構(gòu)。比薩斜塔（Tower of Pisa）建造于黏質(zhì)多孔土壤上，因此成為了一個著名的負(fù)面案例。
研究多孔彈性有助于我們預(yù)測固體結(jié)構(gòu)中發(fā)生的損壞。例如，儲層中的流體被泵出時，減小的壓力引起了流體運(yùn)動，進(jìn)而產(chǎn)生了地應(yīng)力。該應(yīng)力使得位于構(gòu)造上的覆蓋層逐漸產(chǎn)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致其中的多層結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或下沉。這種漸進(jìn)變形會隨著時間推移愈發(fā)嚴(yán)重，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完全開裂。
正如我們在這里強(qiáng)調(diào)的，多物理場仿真可以讓我們深入研究多孔材料在真實(shí)條件下的表現(xiàn)，有助于我們解決和預(yù)防巖土結(jié)構(gòu)中潛在的變形現(xiàn)象。
利用 COMSOL Multiphysics 分析多孔結(jié)構(gòu)
多孔材料的分析是真正的多物理場問題，需要對流體流動、結(jié)構(gòu)力學(xué)及常見傳熱進(jìn)行耦合。
展開 在建模中，定義了井筒的井斜角和方位角
(2)變量定義了崩塌壓力，也可以進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算
(3)采用固體力學(xué)模塊用來描述巖體受到外荷載作用下的應(yīng)力變化,固體力學(xué)模塊和達(dá)西滲透模塊進(jìn)行耦合，即可對多孔彈性介質(zhì)問題進(jìn)行求解。
(4)針對井斜角和方位角進(jìn)行了掃描，注意井斜角的范圍是0-90度，方位角的范圍是0-360度。
5、油藏水平井
本例對具有兩個水平井的油藏進(jìn)行建模。油藏包含兩個相：水和油。我們通過底部井注入水來回收油，從而計(jì)算出產(chǎn)油率和水油比隨時間的變化。
6、分支井的破壞
分支井指從單井分出多個分支的井，由于分支井可以開采多個生產(chǎn)層并繞過不滲透的生產(chǎn)層，因此可以有效地生產(chǎn)石油。遺憾的是，鉆井工程技術(shù)人員通常必須采用機(jī)械方法來穩(wěn)定帶有襯管或套管的分支井，這可能要花費(fèi)數(shù)百萬美元。井眼上不使用套管可以降低建造成本，但是在安裝期間及抽水開始后，井眼發(fā)生災(zāi)難性故障的風(fēng)險(xiǎn)相對較高。
多孔彈性仿真計(jì)算與抽水相關(guān)的三維壓實(shí)，其中通過利用達(dá)西定律獲取地下流體流動，并將其與通過應(yīng)力-應(yīng)變分析得到的結(jié)構(gòu)位移相耦合。此模型著重分析了抽水開始后流體壓力變化引起的彈性位移。
7、射孔完井
描述流體如何流入繞井眼定向的小孔的能力成為人們頻繁分析的主題。由于射孔是獨(dú)立的穿孔，不是環(huán)形，因此流場不適合采用軸對稱分析，而需要采用全三維仿真。
此 App 支持針對不同的井、儲層和流體屬性模擬流入射孔井眼的達(dá)西流，從而預(yù)測每個射孔處的流體攝入量，可分析包含不同屬性的儲層中開有多達(dá) 10 個不同尺寸射孔的井。此 App 計(jì)算每個射孔的抽運(yùn)率，并將儲層中的流場以及井上的壓力分布可視化。
8、應(yīng)用comsol分析水力壓裂對井眼附近應(yīng)力場的影響
在各種應(yīng)力作用下，井眼圍巖會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，也會發(fā)生一定規(guī)律下的壓縮和拉伸。
展開 
多孔彈性的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
多孔彈性的最新內(nèi)容
采用材料庫中的多孔彈性模型，描述MCC模型的彈性關(guān)系。</p><p>(3) 邊界條件</p><p>約束數(shù)值模型右邊界的水平位移、下邊界的垂直位移，上邊界為自由邊界，模型中的上、下和有邊界都設(shè)為不透水邊界。數(shù)值模擬只計(jì)算CPTU貫入過程中的超孔隙水壓力，靜水壓不納入計(jì)算。數(shù)值模擬運(yùn)算至Soil分析步時，CPTU探桿開始貫入，貫入深度為50cm。
土體采用多孔彈性+黏土塑性，通過設(shè)置參數(shù)將其等價于MCC，需要注意的是：在設(shè)置滲透系數(shù)的時候，后面的孔隙比代表的意思是滲透系數(shù)隨孔隙比的變化，如果設(shè)置滲透系數(shù)為常參數(shù)的話，孔隙比可以是任意值，在后續(xù)的預(yù)定義場施加初始孔隙比即可。探頭或者土體的熱物性參數(shù)都要給：熱導(dǎo)率、比熱、熱膨脹系數(shù)。
這些NCT有多層，每層可以由多孔彈性材料組成，如發(fā)泡海綿和玻璃棉。具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是測量/估算這些多孔材料的BIOT性能參數(shù)。為了估計(jì)BIOT性能參數(shù)，將車輛的整個聲學(xué)包NCT拆解，然后進(jìn)行裁剪，制作用于阻抗管測試的樣本，接下來在阻抗管中測量樣本的法向入射吸聲系數(shù)，最后在FOAM-X軟件中使用這些吸聲系數(shù)間接反推多孔材料的BIOT性能參數(shù)。
而Comsol作為一款多物理場仿真軟件，其“多孔彈性”接口很好的做到了達(dá)西定律與固體力學(xué)的耦合，對于評估流體導(dǎo)致巖土體的變形有很大的優(yōu)勢。基于此，文中以某實(shí)際滑坡案例為基礎(chǔ)，利用Comsol多物理場數(shù)值模擬軟件對滑坡進(jìn)行了流-固耦合計(jì)算，獲取了滑坡的變形破壞機(jī)理及特征。
我們還能夠直觀地查看裂隙巖石中損傷、應(yīng)力和壓力場的詳細(xì)演變，并進(jìn)一步研究多孔彈性對驅(qū)動系統(tǒng)中新?lián)p傷傳播的基本控制（圖 3）。根據(jù)模擬結(jié)果，我們還可以分析由完整巖石脆性破壞和（或）天然裂隙摩擦滑動引起的誘發(fā)地震活動的時空演變（圖4）。
圖2 注液過程中裂隙巖石的壓力演化與損傷擴(kuò)展。
聲學(xué)-結(jié)構(gòu)邊界與氣動-聲學(xué)界面一起耦合到多孔材料（比奧模型）與建模域多孔彈性波的接口。這也包括了基于 FEM 和 BEM 的聲學(xué)接口。該特征添加了流體在邊界上連續(xù)性，其來自于多孔材料中的彈性波上的流體壓力的邊界載荷，以及流體經(jīng)歷的多孔基質(zhì)骨架的正法向加速度。
該多孔結(jié)構(gòu)邊界用于耦合的多孔結(jié)構(gòu)域（比奧模型）彈性多孔波接口與固體力學(xué)，殼，膜，或多體動力學(xué)的界面。
改進(jìn)的Cam粘土塑性模型結(jié)合多孔彈性，模擬了孔隙對粘土層彈塑性行為的影響。
材料和接觸屬性
為金屬線圈定義了線性彈性材料行為，并使用Neo-Hookean模型對聚合物管進(jìn)行建模。
對于情況2，通過使物理量為位置和時間的函數(shù)（TBFIELD）實(shí)現(xiàn)，比重量和楊氏模量在載荷階躍上逐漸增加。
建模
計(jì)算域被建模為完全飽和的多孔彈性連續(xù)體。使用耦合孔隙壓力-熱-機(jī)械-固體（CPT nnn）單元，用具有孔隙壓力和位移自由度的有限元離散連續(xù)體。
儲層和覆蓋層之間的界面采用基于位移和孔隙壓力自由度的表面接觸進(jìn)行建模。接觸分別在位移和孔隙壓力自由度方面建模為粘結(jié)和不滲透。
研究具有負(fù)等效壓縮效應(yīng)的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復(fù)合材料，當(dāng)周圍環(huán)境產(chǎn)生的靜水壓力增加時，將發(fā)生各向同性的膨脹。大多數(shù)天然彈性材料的反應(yīng)與之相反，當(dāng)周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現(xiàn)象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。
