多孔彈性的案例
在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
本文我們將通過數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 打印結合
“3D 打印”和“超材料”具有廣闊的應用前景，能夠制造定制的醫療植入物，打印房屋，應用于聲學隱形技術，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術的結合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術而言相當困難或不可能實現。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩定和靜態條件下表現出獨特的負等效壓縮性力學性能的超材料。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當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成，材料內為中空的三維十字結構，此結構內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。
當周圍壓力與十字結構中的壓力不同時，膜片向內或向外彎曲。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構旋轉。
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
本文我們將通過數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 打印結合
“3D 打印”和“超材料”具有廣闊的應用前景，能夠制造定制的醫療植入物，打印房屋，應用于聲學隱形技術，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術的結合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術而言相當困難或不可能實現。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩定和靜態條件下表現出獨特的負等效壓縮性力學性能的超材料。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當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成，材料內為中空的三維十字結構，此結構內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。
當周圍壓力與十字結構中的壓力不同時，膜片向內或向外彎曲。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構旋轉。
展開 特殊多孔彈性超材料的仿真分析
在文本中，我們將通過數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。它們具有廣闊的應用前景，能夠制造定制的醫療植入物，打印房屋，應用于聲學隱形技術，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術的結合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術而言相當困難或不可能實現。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩定和靜態條件下表現出獨特的負等效壓縮性力學性能的超材料。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當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成，材料內為中空的三維十字結構，此結構內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。
當周圍壓力與十字結構中的壓力不同時，膜片向內或向外彎曲。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構旋轉。
展開 多孔結構的數值仿真分析
壓力變化可能會導致這些結構中的多孔材料被損壞，進一步引起流體流動及結構的逐漸垮塌和下沉。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行精確分析，以評估和避免這類結構中發生的變形。
研究多孔彈性以建立牢固地基
當您在森林中徒步旅行時，會遇到各種多孔介質：如地基土、巖石，甚至是您自己的生物組織。多孔介質由固體材料構成，被稱為多孔基體，其內部包含有孔隙互通的網絡結構，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。
當多孔基體由固體彈性材料組成，且其內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用于巖土力學中的儲層、水壩、及能量樁等結構。比薩斜塔（Tower of Pisa）建造于黏質多孔土壤上，因此成為了一個著名的負面案例。
研究多孔彈性有助于我們預測固體結構中發生的損壞。例如，儲層中的流體被泵出時，減小的壓力引起了流體運動，進而產生了地應力。該應力使得位于構造上的覆蓋層逐漸產生變形，進而導致其中的多層結構發生塌陷或下沉。這種漸進變形會隨著時間推移愈發嚴重，最終導致結構完全開裂。
正如我們在這里強調的，多物理場仿真可以讓我們深入研究多孔材料在真實條件下的表現，有助于我們解決和預防巖土結構中潛在的變形現象。
利用 COMSOL Multiphysics 分析多孔結構
多孔材料的分析是真正的多物理場問題，需要對流體流動、結構力學及常見傳熱進行耦合。
展開 
COMSOL井筒井壁模型匯總
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，也可以進行參數化計算
(3)采用固體力學模塊用來描述巖體受到外荷載作用下的應力變化,固體力學模塊和達西滲透模塊進行耦合，即可對多孔彈性介質問題進行求解。
(4)針對井斜角和方位角進行了掃描，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，從而計算出產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層并繞過不滲透的生產層，因此可以有效地生產石油。遺憾的是，鉆井工程技術人員通常必須采用機械方法來穩定帶有襯管或套管的分支井，這可能要花費數百萬美元。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，井眼發生災難性故障的風險相對較高。
多孔彈性仿真計算與抽水相關的三維壓實，其中通過利用達西定律獲取地下流體流動，并將其與通過應力-應變分析得到的結構位移相耦合。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。由于射孔是獨立的穿孔，不是環形，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西流，從而預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 10 個不同尺寸射孔的井。此 App 計算每個射孔的抽運率，并將儲層中的流場以及井上的壓力分布可視化。
8、應用comsol分析水力壓裂對井眼附近應力場的影響
在各種應力作用下，井眼圍巖會發生應力集中現象，也會發生一定規律下的壓縮和拉伸。
展開 海綿壓陷硬度試驗符合標準及試驗步驟要求
符合標準：
GB/T 10802軟質聚氨醋泡沫塑料
GB/T 10807-2006 軟質泡沫聚合材料 硬度的測定(壓陷法)
GB/T 12825-2003 高聚物多孔彈性材料 凹入度法硬度測定
GB/T 18942.1-2003 高聚物多孔彈性材料 壓縮應力應變特性的測定 第1部分 低密度材料
ASTM D3574 軟質多孔材料--板、粘合及模制聚氨酯泡沫試驗方法
GBT 26392-2011 慢回彈泡沫 復原時間的測定
一、主要適用范圍及功能
主要適用于軟質泡沫聚和材料如：海綿、泡沫等壓陷硬度在國家標準要求的A法、B法、C法及其它試驗條件下對標準尺寸的海綿、泡沫等試樣進行標準的測試，測定海綿、泡沫等材料的凹入硬度指數、凹入硬度特性、凹入硬度檢驗以及壓縮應力的測試。
二、儀器概述：
主要由試驗主機和控制系統兩大部分組成，儀器采用計算機控制，能夠全程自動按照標準要求測試數據，所有的操作在軟件里操作，試驗方便，操作簡單。可對試驗過程中的各種數據進行快速、準確的采集、處理，并可存取、顯示、打印.
展開 高壓連接器的內接觸結構
圖1 雙螺旋結構
圖2 線簧接觸結構
2 多孔耐磨結構
我們開發的一種電動車高壓連接器多孔耐磨 內接觸 環 ， 包 括 多孔彈性內接觸環 （圖3）、表面鍍層。多孔彈性接觸環的壁厚為0.5 mm、口內徑為8 mm，長19 mm的高彈性銅鎳硅合金開口管。管呈弧形中間下凹，中間內徑5mm，管壁交錯均勻分布直徑為1.5 mm的孔，管沿軸方向有一條線縫，縫寬度控制在0.5 mm以內。表面鍍層為AgCu、AgSb、AgPd、AuAg合金的一種，厚度為0.5~2.0μs。AgCu合金鍍層中Cu的含量為1%~2%；AgSb合金鍍層中Sb的含量為1.5%~2.5%；AgPd合金鍍層中Pd的含量為8%~10%；AuAg合金鍍層中Ag的含量為30%~40%。合金鍍層可通過電鍍或磁控濺射方法獲得。
該接觸結構簡單，性能可靠，應用范圍廣泛，能夠有效地推廣高壓連接器的應用；本文多孔耐磨彈性內接觸環實現了與插頭的網狀線性接觸，接觸電阻低，達到LV215高壓連接器的接觸電阻要求；采用的AgCu、AgSb、AgPd、AuAg合金鍍層代替內接觸環的純Ag或純Au鍍層提高了內接觸結構的耐磨性。
展開 Comsol多物理場仿真軟件在滑坡數值模擬中的運用
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西定律與固體力學的耦合，對于評估流體導致巖土體的變形有很大的優勢。基于此，文中以某實際滑坡案例為基礎，利用Comsol多物理場數值模擬軟件對滑坡進行了流-固耦合計算，獲取了滑坡的變形破壞機理及特征。
關鍵詞：Comsol多物理場仿真軟件;流-固耦合;滑坡;
引言
Comsol多物理場仿真軟件，涉及電氣、結構、聲學、流體、傳熱等各個學科領域，對流-固耦合計算有天然的優勢。對于針對滑坡問題中流-固耦合計算他有專門的計算接口“多孔彈性”接口，該接口主要對達西定律與固體力學進行了耦合。多孔塌陷模型主要描述了多孔介質中流體與基體變形之間的相互作用，基體中流體的變化將產生流體壓力或同等水頭。因此在模擬水對巖土體作用時，其所采用的本構方程具有極大的優勢。
西南某滑坡處于淺層變質巖區域，該區域年降雨充沛，基巖裂隙十分發育。因此，地下水較為發育，滑坡區內可見多出下降泉。研究區內主要分布巖性較為單一，為粉砂質泥巖，是地下水主要賦存介質。經實地調查，該滑受地下水影響明顯，因此有必要進行流-固耦合計算。基于此，文中選用Comsol多物理場仿真軟件對該滑坡進行了流固耦合計算，分析了地下水對滑坡的作用特征與機理[1]。
一、軟件介紹
COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理場耦合仿真軟件，內部提供完全耦合的多物理場和單物理場建模功能、仿真數據管理，可用于工程、制造和科學研究的絕大多數領域。涉及電磁、結構&聲學、流體&傳熱、化工等四個大專項，下含結構力學模塊、巖體力學模塊、多孔介質流模塊、地下水流模塊、管道流模塊、波動光學模塊、射線光學模塊、等離子體模塊、半導體模塊等36個模。內置耦合物理場外，還可自定義物理場方程以進行多物理場耦合分析[2,3]。
展開 裂隙中的流固耦合仿真方法
我們激活了 多孔彈性接口以實現固體和流體方程之間的直接耦合，定義了巖石基質和裂隙的材料特性和本構方程，將巖石/裂隙特性，例如孔隙率、儲水和滲透率定義為局部應力/壓力狀態的函數，來實現間接耦合。我們還定義了力學和水力邊界條件。
第三步:計算解
我們在兩個連續的階段運行模型。在第一階段，系統在給定的原位應力和壓力條件下達到初始平衡（通過斜坡加載）。在第二階段，我們模擬系統對流體注入或地下開挖等工程活動的響應。
仿真實例
示例1:裂隙巖石中的流體注入
我們將建立的模型用于模擬受流體注入影響的裂隙巖石的流體力學行為（參考文獻 1）。使用該模型，我們可以真實地表征裂隙多孔介質中的壓力擴散，完整巖石中由脆性和疲勞引起的損傷以及裂隙結構對流體力學過程的重要影響（圖2）。我們還能夠直觀地查看裂隙巖石中損傷、應力和壓力場的詳細演變，并進一步研究多孔彈性對驅動系統中新損傷傳播的基本控制（圖 3）。根據模擬結果，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展。
圖3 查看(a)損傷的分布情況;(b)應力比(即局部最大主應力與局部最小主應力的比值);(c)裂隙巖石局部區域的流體壓力(通過高度表達式顯示)。
圖4 低、高裂隙密度分別為 0.5 和 1.5 的裂隙巖石中誘發地震活動的空間分布和演化規律。
示例2:裂隙巖石的地下開挖
該模型也可用于模擬裂隙巖石中開挖引起的擾動以及由此產生的瞬態流體力學行為（參考文獻4）。
展開 西南大學黃進教授和甘霖副教授提出負泊松比結構力學強化輕質化生物基材料的普適性方法：軸向/徑向控比粘彈性壓縮多孔材料負泊松比結構化
該結果表明，軸向與徑向控比粘彈性壓縮引起的負泊松比結構化實現了輕質化PBS多孔材料的高力學性能。
這種軸向與徑向控比粘彈壓縮負使輕質化生物基材料高性能化的方法，不僅大幅提升了輕質化生物基材料的力學性能，同時避免了傳統化學或物理改性手段的帶來的制造成本與技術難度增加及相關不可控因素。相對傳統改性手段，這種負泊松比的力學性能補強方法更加簡單高效且普適性更強，更有利于規模化制造，可促進輕質化生物基材料在生物傳感、醫療設備、汽車船舶（如圖1g）等領域取代傳統環境不友好的石油基材料。
西南大學化學化工學院博士研究生何毅是該成果的第一作者，西南大學黃進教授和甘霖副教授是通訊作者。該成果得到了包括國家自然科學基金在內的多項基金的資助。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1021/acsapm.0c01232
展開 利用人體對周圍電磁波的增強感應，直接可視覺觸覺感知和超靈敏觸覺傳感器
壓力變化的可視化檢測
a) 多孔彈性電極的材料構造；
b) 多孔結構的顯微圖像；
c,d) 多孔彈性電極的實物照片；
e) 電極響應不同壓力的導電性變化
f) 電極響應不同施加壓力時的傳感器單元的電流信號
g,h) 施加力讀數變化和對應發光二極管亮度變化的照片: g )接觸前和h )接觸時；
i) 隨著施加在電極上的壓力增加，電路中的電流的變化；
【小結】
本論文提出了由兩個串聯的發光二極管組成的簡單電路，該電路可以被設計成傳感器單元來檢測各種觸覺接觸，其中環境電磁信號作為觸發信號工作。電磁波在這個傳感器電路中感應出靜電信號，人類或其他介質的接觸運動可以放大這種感應效應。然后，LED的指數特性導致在電磁信號激勵下電流信號的強烈增強，通過觀察LED的亮度變化可以實現觸覺的可視化傳感。通過使用這種傳感器單元，研究人員設計了一個可拉伸半透明傳感器矩陣來檢測微小觸碰點。接觸節點的最小直徑約為0.1 mm，傳感器單元可以清晰識別接觸力小于0.001N的觸摸力。此外，水凝膠條和彈性電極被結合到該傳感器單元，用于滑動軌跡和接觸壓力的檢測和可視化。由于電磁波普遍存在于我們周圍環境，有助于該觸覺傳感器的連續工作。因此，這種傳感方法的高靈敏度、簡單的組件和可視化能力可以在工業自動化、機器人皮膚、人機交互、安全監控等領域打開各種應用。
展開 
利用Sim 3D 2206版本對赫姆霍茲諧振器進行聲學仿真求解時，出現“流體邊界條件 Visco-Thermal Treatment(1)部分或完全分布于非流體和非多孔彈性單元”的錯誤提示。麻煩問一下
[圖片]
CPTU、樁貫入數值模擬abaqus ￥10
采用材料庫中的多孔彈性模型，描述MCC模型的彈性關系。</p><p>(3) 邊界條件</p><p>約束數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、下和有邊界都設為不透水邊界。數值模擬只計算CPTU貫入過程中的超孔隙水壓力，靜水壓不納入計算。數值模擬運算至Soil分析步時，CPTU探桿開始貫入，貫入深度為50cm。通過設置Soil分析步時長，控制貫入速度，例如當Soil分析步時長為25s時，貫入速度為2cm/s。在CPTU貫入過程中，為了便于觀察土體中應力、超孔隙水壓力等因素的變化特征，假設土體內應力分布不隨深度改變。</p><p>(4) 接觸條件</p><p>接觸面的關系包括法向接觸和切向接觸，法向接觸用于描述接觸面間的距離間隙，當表面互相靠近，間隙為0或者負數時，認為表面之間互相接觸；當間隙大于0時，認為兩表面脫離，接觸壓力為0。</p><p>當兩個表面存在接觸壓力，并產生相對位移時，接觸面將傳遞切向應力，即摩擦力，ABAQUS采用庫倫定律計算，</p><p>根據相關研究，探桿與土體接觸面摩擦角取土體有效內摩擦角的一半。常用的接觸面關系定義方式有兩種，分別為面與面接觸和通用接觸。一般將剛度較大的材料設置為主面，從面的接觸網格應當比主面更精細，防止主面侵入量過大導致計算不收斂。此外，在選取主、從面時，從面的方向應當與主面相對。否則，CPTU將穿透網格，導致計算結果失效。</p><p>(5) 網格劃分</p><p>在CPTU貫入數值模擬中，網格劃分的質量決定了模型計算的準確性和收斂性。土體單元類型采用四結點軸對稱雙線性四邊形孔壓單元(CAX4P)，CPTU探頭采用剛體單元(RAX2)。在開展數值模擬時，CPTU的貫入過程導致土體的大變形，引起的網格畸變，會造成收斂困難。
展開 comsol聲場分析，戴在仿真人耳上的耳機和HRTF 計算
該模型使用“多孔彈性波”物理場接口對泡沫進行建模。內置的內部穿孔板模型用于表示耳機外殼中的穿孔和網格。人造耳耦合到簡化的耳道，并且特別分析了耳鼓的阻抗。等效電路用于模擬耳機中的驅動器。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202010/21cbfaa01b954e9bbc84c9d6476e34ee.png"></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202010/2d1a8aba20b24140b8c3f2a3acfb6816.png" title="QQ圖片20201019143235.png" alt="QQ圖片20201019143235.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202010/2d1a8aba20b24140b8c3f2a3acfb6816.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202010/2d1a8aba20b24140b8c3f2a3acfb6816.png?
展開 關于ABAQUS耦合溫度-位移傳熱分析記錄 ￥9999
First model：PENE
Part&Property&Assembly：為了后續進行傳熱，探頭要采用變形體，但是顯然不對的，這里我做了兩個改變：（1）把彈性模量拉到很大；（2）給探頭整體一個剛體約束，避免探頭本身的變形。土體采用多孔彈性+黏土塑性，通過設置參數將其等價于MCC，需要注意的是：在設置滲透系數的時候，后面的孔隙比代表的意思是滲透系數隨孔隙比的變化，如果設置滲透系數為常參數的話，孔隙比可以是任意值，在后續的預定義場施加初始孔隙比即可。探頭或者土體的熱物性參數都要給：熱導率、比熱、熱膨脹系數。主包給土體設置了一個damping參數為了增加收斂性，Alpha-0.05，Beta-0.0005（不保證啊不保證，也不知道有沒有用）。
Step：2步====分析步均采用耦合溫度-位移分析。(1)geo，地應力平衡，transient /1s ，打開大變形，增量步選擇automatic 采用非對稱求解器；（2）pene，貫入分析步（要考的，記清楚），前兩個分析步均未采用automatic stabilization，但是一定要打開大變形選項防止網格過度扭曲。最重要的操作：重啟動。Step界面——Output——restart requests——在geo/pene分析步勾選frequency以及overlay。即每個增量步讀取一次數據以及后續在該步驟可以重新啟動計算（是這個意思嗎？不知道啊再找找資料吧主包）。
Interaction：建立了7個接觸，探頭的各個分區與土體左邊界之間。探頭分為金屬區域和特氟龍隔熱區，兩個區域的接觸屬性不同，主要是比熱、熱導率、熱擴散系數的區別。另外就是前面提到的剛體約束rigid body（給探頭的）。
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