在ABAQUS中使用多孔介质模型

引言

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soil分析步

在ABAQUS中进行渗流/应力耦合分析时，需要应用soil分析步，否则将不会计算孔隙压力。设置如下图2所示

设置孔压单元

在mesh模块中给部件设置Pore Fluid/Stress单元，如图3所示。其他阶次、积分方法等参数根据你自己的需要设置。

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。

图4 设置初始孔隙比

小结

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、底下水渗流、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。