کاوش در ماژول ژئومکانیک COMSOL

من همیشه یک کلاس مهندسی ژئوتکنیک را که در طول تحصیل در رشته مهندسی عمران شرکت کردم به یاد دارم. این شامل هر دو امتیاز بالا و پایین برای آن ترم تحصیلی بود. بخش آزمایشگاه بسیار سرگرم کننده بود، یادگیری در مورد (بخوانید: بازی با) خاک ها و رس های مختلف موجود در ایالت جورجیا. از سوی دیگر، پروژه نهایی، ما را موظف به طراحی یک دیوار حائل برای مطابقت با مشخصات خاص کرد – یک کار سخت و طولانی. دیوار حائل برای نگه داشتن خاک از منطقه ای که نمی خواهید به آن جابجا شود، مانند سطح پایین تر زمین، استفاده می شود. اگر حفاری نزدیک به دیوار حائل انجام می دهید، آن را در معرض نیروهای اضافی قرار می دهید که در ابتدا برای آن طراحی نشده بود و ممکن است نیاز به پشتیبانی بعدی داشته باشد. اگر فقط نرم افزار شبیه سازی ژئومکانیک را می دانستیم چقدر می توانست آسان تر باشد.

مدل سازی یک حفاری در COMSOL

دو راه برای مدل‌سازی حفاری در COMSOL Multiphysics وجود دارد که هر دو شامل یک جاروی پارامتریک هستند. یک گزینه شامل جارو کردن هندسه، حذف هندسه (حفاری) یک مرحله در یک زمان است. همانطور که خاک برداشته می شود، تکیه گاه آن نیز برداشته می شود و دیوار حائل را در معرض تنش های خاک از سمت غیر حفاری قرار می دهد. گزینه دیگر این است که با هندسه قبلاً حفاری شده شروع کنید و حفاری را با استفاده از بار مرزی شبیه سازی کنید. بار مرزی برای هر قسمت از دیوار که زیر عمق گودبرداری مجازی است، نیرویی به سمت حفاری دیوار حایل، برابر (و در نتیجه نفی) تنش های درجا اعمال می کند.

فیلم آموزشی: مقدمه ای بر ماژول ژئومکانیک

ویدئویی که در زیر نشان داده شده است از دو استراتژی آخر برای مدل سازی یک حفاری 26 متری استفاده می کند. با عمیق تر شدن حفاری، سه پایه با استفاده از تابع رمپ و عبارات بولی فعال می شوند. هنگامی که حفاری به عمق خود می رسد، تا زمانی که انحراف افقی دیواره از آنچه ما اجازه می دهیم بیشتر باشد، پایه ها فعال می شوند. چهار مجموعه نتیجه وجود دارد که تغییر شکل خاک و دیوار حائل، تغییر شکل پلاستیک، انحراف دیوار و نشست سطح را نشان می‌دهد.

برای اطلاعات بیشتر مدل حفاری عمیق ما را بررسی کنید . ورود به حساب COMSOL Access به شما امکان می دهد اسناد این مدل را نیز دانلود کنید.

رونویسی ویدیو

در این مثال، یک حفاری 26 متری با استفاده از یک جارو پارامتریک، با اندازه پله 2 متر مدل سازی شده است. هنگامی که حفاری به عمق خود می رسد با استفاده از یک عبارت بولی، استرات ها فعال می شوند. از تقارن استفاده می شود زیرا حفاری مدل شده تنها نیمه سمت راست حفاری کامل است.

برای این مثال، با استفاده از رابط مکانیک جامد و یک مطالعه ثابت، در کرنش صفحه دو بعدی مدل‌سازی خواهیم کرد.

اینها پارامترهایی هستند که بعداً استفاده خواهیم کرد، که نشان دهنده تنش های درجا، خواص پایه های فلزی، مراحل حفاری، همراه با چند پارامتر مرتبط دیگر هستند.

عملکرد رمپ را برای فعال کردن پایه ها ایجاد کنید. مکان رمپ روی -U_max تنظیم شده است. هنگامی که یک پایه فعال می شود، نیرویی متناسب با سفتی پایه و جابجایی افقی ایجاد می کند.

هندسه قبلا برای این مدل ایجاد شده است، اما تمامی مراحل در فایل مدل برای ساخت لایه های بالایی و پایینی خاک و همچنین دیوار حائل و سه پایه تعبیه شده مشخص شده است. تشکیل یک مجموعه یک جفت هویت بین خاک دیوار و مرزهای دیافراگم دیوار ایجاد می کند.

دو انتخاب مرز ایجاد شده و به دیوار_دیافراگم و دیوار_خاک تغییر نام داده شده است. همانطور که می بینید، آنها در یک مکان هستند اما مرزهای متفاوتی دارند. اپراتورهای اکستروژن جابجایی طبیعی بین دیوار حائل و خاک را محدود می کنند و آنها را مجبور می کنند در تماس باقی بمانند.

یک گره پلاستیسیته خاک اضافه کنید و می بینید که معیار عملکرد دراکر-پراگر است، اما ما همچنان می خواهیم آن را با معیار Mohr-Coulomb مطابقت دهیم. یک تنش اولیه نیز به مدل اضافه می‌شود تا تنش‌های درجا در جهت‌های x، y و z شبیه‌سازی شود.

اکنون می‌توانیم محدودیت‌های مرزی را اضافه کنیم، از جمله یک تقارن در سمت چپ، یک محدودیت ثابت برای مرز پایین و یک غلتک برای مرزهای سمت راست.

ما می توانیم یک جابجایی تجویز شده را انتخاب کنیم تا مطمئن شویم خاک در مرز 4 فقط در جهت y حرکت می کند. عبارت عملگر اکستروژن عمومی را از قبل وارد کنید.

همچنین برای مرز دیوار_خاک که قبلاً ایجاد شده است، یک جابجایی تجویز شده مورد نیاز است. این بار در جهت x و با استفاده از دومین عملگر اکستروژن عمومی در فیلد u0.

برای بخش پایانی تنظیم فیزیک، می‌خواهیم پنج بار مرزی را به مدل اضافه کنیم.

اولین بار مرزی برای مرزهای افقی خاک اضافه می شود. بنابراین ما استرس را در جهت y می خواهیم.

بار مرزی دوم برای مرزهای دیوار حائل عمودی اضافه می شود. ما در اینجا استرس را در جهت ایکس منفی می خواهیم.

بقیه بارهای مرزی سه پایه را توصیف می کنند. پایه بالا و سپس نیروی کل را به عنوان نوع بار انتخاب کنید. معادله نشان داده شده را وارد کنید که تابع سطح شیب دار انحراف دیوار است، با یک عبارت اضافه شده که بیان را محدود می کند که فقط زمانی که عمق زیر پایه استر رخ دهد. روی گره Boundary Load 3 کلیک راست کنید تا نام آن را به Strut_1 تغییر دهید. دوباره کلیک راست کنید تا دوبار آن را کپی کنید، زیرا تنظیمات مشابهی را برای ستون دوم و سوم می خواهیم. انتخاب را پاک کنید و پایه میانی را اضافه کنید، سپس عبارت را از مرحله 1 به مرحله 2 تغییر دهید تا فقط زمانی فعال شود که عمق به زیر پایه دوم برسد. نام این یکی را Strut_2 تغییر دهید. مشابه دو مورد اول، برای سومین پایه، مرز سوم را اضافه کنید و مرحله 2 را به مرحله 3 تغییر دهید. نام پایه سوم را تغییر دهید تا تنظیمات فیزیک به پایان برسد.

مواد قبلاً برای این مدل ایجاد و تنظیم شده است. خاک لایه بالایی، خاک لایه زیرین و دیوار حائل.

برای مش بندی مدل، گاهی اوقات یک مش خودکار کافی است، اما ما می خواهیم برای این مدل خودمان را بسازیم تا همگرایی در مرز خاک-دیواره را بهبود ببخشیم. ابتدا یک مش نگاشت شده برای دامنه دیوار حائل. یک توزیع برای دیافراگم دیوار اضافه کنید و عدد 60 را برای تعداد عناصر وارد کنید. یک توزیع دوم برای مرز پایین اضافه کنید و برای تعداد عناصر عدد 2 را وارد کنید.

حالا یک مثلث آزاد برای هندسه باقی مانده اضافه کنید. ابتدا یک گره اندازه اضافه کنید تا مطمئن شوید که مش بهتر است. سپس سه توزیع را اضافه می کنیم که یکی مربوط به هر یک از توزیع های مش نگاشت شده است. 2 برای دیافراگم دیوار که مجموعاً 60 عنصر دارد و یکی برای مرز پایین با 3 عنصر.

اکنون می‌توانیم مش را بسازیم و روی مرز خاک-دیوار زوم کنیم تا مش بهبودیافته را ببینیم.

آخرین مرحله قبل از محاسبه مدل، تعریف طیف وسیعی از پارامترهای عمق برای جاروب پارامتری است. عمق را به عنوان پارامتر ادامه اضافه کنید و روی دکمه محدوده کلیک کنید. ما عمقی از 0 تا -26 متر با اندازه پله دو متر می خواهیم.

برای محاسبه مدل، روی مطالعه 1 کلیک راست کنید.

پس از اتمام محاسبات مدل، می‌توانیم مقداری پردازش پست اضافه کنیم تا نتایج را بهتر ببینیم.

نمودار پیش فرض استرس فون میزس را نشان می دهد. جایگزین عبارت را کلیک کنید و به مکانیک جامد، جابجایی بروید و جابجایی کل را انتخاب کنید. برای مشاهده جابجایی در اعماق مختلف حفاری روی نمودار کلیک کنید. ویژگی دکمه پخش کننده به شما امکان می دهد تمام نتایج عمق حفاری را در یک انیمیشن مشاهده کنید.

یک گروه پلات دوم و نمودار سطح ایجاد کنید، سپس عبارت solid.epe>0 را وارد کنید تا تغییر شکل پلاستیک در لایه های مختلف خاک را مشاهده کنید. دوباره روی دکمه پخش کننده کلیک کنید تا تمام مقادیر پارامترها را پشت سر هم مشاهده کنید.

اکنون یک نمودار 1 بعدی و یک نمودار خطی با دیافراگم دیواری به عنوان انتخاب ایجاد می کنیم. برای داده های محور y، عبارت y و برای محور x، عبارت u با واحدهای میلی متر است. این نمودار انحراف دیوار یا جابجایی افقی را به عنوان تابعی از عمق برای مراحل مختلف گودبرداری نشان می دهد.

یک نمودار خط دوم ایجاد کنید که نشست سطح یا جابجایی عمودی را به عنوان تابعی از فاصله از دیوار نشان می دهد. مرز 8 را اضافه کنید و بیان داده های محور y را به v تغییر دهید و از میلی متر به عنوان واحد استفاده کنید. و وقتی کادر legends را علامت بزنید، طرح به طور خودکار تولید می شود.