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2020 年，聚合物流動(dòng)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(cè)其施加的力、涂層的均勻性和模具填充程度。

一、前言 粘彈性動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(tái)實(shí)現(xiàn)的粘彈性邊界的施加以及地震動(dòng)輸入的介紹。

</p><p><br></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0); background-color: transparent;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;非彈性非牛頓流體有多種本構(gòu)定律，需要擬合多個(gè)系數(shù)，此次的模型通過在comsol內(nèi)置全局最小二乘目標(biāo)優(yōu)化，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，優(yōu)化本構(gòu)方程系數(shù)，讓本構(gòu)方程的結(jié)果更貼近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

非線性黏彈性研究的是 大變形、長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下高分子液體的流變行為，如毛細(xì)管流變儀測(cè)試剪切黏度，研究的就是非線性黏彈性中的黏性行為，且屬于穩(wěn)態(tài)黏彈性。大多數(shù)高分子液體屬于假塑性 流體，其流動(dòng)過程中存在剪切變稀現(xiàn)象。關(guān)于高分子液體非線性黏彈性的另一個(gè)重要組成部分──彈性效應(yīng)，其表現(xiàn)更為多樣，原理也更為復(fù)雜。

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(duì)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(cè)流動(dòng)行為及材料變化。

而Comsol作為一款多物理場(chǎng)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(duì)于評(píng)估流體導(dǎo)致巖土體的變形有很大的優(yōu)勢(shì)?；诖耍闹幸阅硨?shí)際滑坡案例為基礎(chǔ)，利用Comsol多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件對(duì)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。

固體中絕熱等熵過程典型的就是彈性小變形，彈性動(dòng)力學(xué)就是研究聲波在固體中的傳播；聲波在流體中的傳播的研究是建立在無黏可壓流模型基礎(chǔ)上的，必須要考慮流體的可壓縮性，因?yàn)槿绻麑?em>流體當(dāng)成不可壓縮物質(zhì)，波速將無限大。另外，吳望一P527也說明了高速空氣邊界層外中的小擾動(dòng)仍然可以采用無黏等熵假設(shè)。

黏彈效應(yīng)的示意圖 松弛時(shí)間(λ)是定義為當(dāng)變形停止時(shí)，應(yīng)力從原始下降到剩一半所需的時(shí)間。越高的松弛時(shí)間表示越多的(彈性)記憶效應(yīng)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)的移動(dòng)或松弛時(shí)間(λ)極小的狀況，可被簡(jiǎn)化為牛頓流體并用粘度來表示(η)。對(duì)于突然的應(yīng)力變化，以時(shí)間導(dǎo)數(shù)表現(xiàn)則是虎克定律(Hookean)及彈性模數(shù)(G)表示的固態(tài)行為。

4）黏彈性 (Viscoelasticity) 會(huì)顯示所選材質(zhì)黏彈性模型的參數(shù)和值。也會(huì)顯示選擇具有所選黏彈性模型方程式的材質(zhì)。唯有具黏彈性屬性的材料才可使用 [黏彈性] (Viscoelasticity)。White-Metzner模型的 G' 與 G" 代表儲(chǔ)存模數(shù) (Storage Modulus) 與損失模數(shù)(Loss Modulus)。

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(duì)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(cè)流動(dòng)行為及材料變化。

在對(duì)流體中的聲學(xué)問題進(jìn)行建模時(shí)，COMSOL Multiphysics 可以給你提供更多的選擇。COMSOL Multiphysics 中的 聲學(xué)模塊中 有大約 20 個(gè)物理場(chǎng)接口可用于模擬基于不同假設(shè)條件下的流體中的波。

在采用消能減震方法的情況下，在較低級(jí)別地震或風(fēng)振作用下結(jié)構(gòu)可以獲得足夠的初始剛度而保持彈性狀態(tài)；而在較高級(jí)別地震或風(fēng)振作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形尚未開始變大時(shí)，耗能裝置就能先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，從而避免結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件進(jìn)入到非彈性狀態(tài)。 本期給大家主要帶來的是減震設(shè)計(jì)中的黏滯阻尼器相關(guān)的內(nèi)容。

純 POEG9MA 的線性黏彈性響應(yīng)的頻率依賴性表明，該材料表現(xiàn)為自由流動(dòng)的牛頓流體。摻雜鹽的存在基本上抑制了鏈的運(yùn)動(dòng)，從而抑制了材料的最終弛豫。后者仍然表現(xiàn)為未糾纏的流體，由于內(nèi)部摩擦，通過流體動(dòng)力學(xué)和熵效應(yīng)具有黏彈性響應(yīng)。

但這種方法工程應(yīng)用性較強(qiáng)，對(duì)于氣動(dòng)優(yōu)化、氣動(dòng)彈性控制等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景。流體力學(xué)與人工智能技術(shù)的交叉有著巨大發(fā)展前景，人工智能技術(shù)推動(dòng)流體力學(xué)形成第四研究新范式只是時(shí)間問題【3】。

? 黏彈性 (Viscoelasticity)此功能會(huì)顯示我們實(shí)際生活中非常重要的效應(yīng)，例如壓力效應(yīng)與彈性效應(yīng)等，有時(shí)候可能還會(huì)造成相當(dāng)大的影響。為了讓射出產(chǎn)品的質(zhì)量更好，必須了解加工時(shí)黏彈性的物理行為。

第二步:設(shè)置模型，定義材料屬性、耦合參數(shù)和邊界條件 我們使用 COMSOL Multiphysics 中的固體力學(xué)和達(dá)西定律接口對(duì)裂隙介質(zhì)中的流體力學(xué)過程進(jìn)行了模擬。我們激活了 多孔彈性接口以實(shí)現(xiàn)固體和流體方程之間的直接耦合，定義了巖石基質(zhì)和裂隙的材料特性和本構(gòu)方程，將巖石/裂隙特性，例如孔隙率、儲(chǔ)水和滲透率定義為局部應(yīng)力/壓力狀態(tài)的函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)間接耦合。

結(jié)構(gòu)黏彈性 (Structure VE) 顯示選定材料的相關(guān)黏彈系數(shù)與模型，材料的黏彈性數(shù)據(jù)如下圖所顯示，只有含有黏彈性質(zhì)的數(shù)據(jù)的材料才能于材料精靈內(nèi)顯示黏彈性信息。 光學(xué) (Optics) 會(huì)顯示光學(xué)性質(zhì)，包含不定向光折射率、流體引致光壓系數(shù)與熱引致光壓系數(shù)。僅有具光學(xué)性質(zhì)的材料可使用[光學(xué)]。

對(duì)于理想流體 δ 為 90°，對(duì)于理想固體 δ 為 0°，具有粘彈性的實(shí)際樣品，δ在0°到90°之間。tanδ<1，即G''<G'：彈性占主要部分，為凝膠體 ； tanδ＞1，即G''>G'：粘性占主要部分，為流體； tanδ=1，即G''=G'：粘性和彈性相等，為溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

本案列中對(duì)于瓣膜和血管壁均采用超彈性材料模型，難點(diǎn)在于當(dāng)瓣膜在壓力驅(qū)動(dòng)下張開時(shí)，會(huì)帶動(dòng)流體網(wǎng)格產(chǎn)生較大的變形，通常為避免網(wǎng)格拉扯出現(xiàn)負(fù)體積，一般結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格，例如Comsol動(dòng)網(wǎng)格。

黏彈效應(yīng)的示意圖松弛時(shí)間(λ)是定義為當(dāng)變形停止時(shí)，應(yīng)力從原始下降到剩一半所需的時(shí)間。越高的松弛時(shí)間表示越多的(彈性)記憶效應(yīng)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)的移動(dòng)或松弛時(shí)間(λ)極小的狀況，可被簡(jiǎn)化為牛頓流體并用粘度來表示(η)。對(duì)于突然的應(yīng)力變化，以時(shí)間導(dǎo)數(shù)表現(xiàn)則是虎克定律(Hookean)及彈性模數(shù)(G)表示的固態(tài)行為。