在分析隧道、開挖、邊坡穩定性和挡土結構時，需要使用專為地質結構工程應用定制的非線性材料模型。地質結構模組是結構力學模組的附加模組，其中包含的內置材料模型可用於模擬土壤、混凝土和岩石中的變形、塑性、蠕變和破壞。此外，模組中還包含了通過 von Mises 和 Tresca 準則描述金屬塑性的標準非線性材料模型，進一步增強了結構力學模組中包含的安全和失效評估特徵。

地質結構模組中材料模型

以下是地質結構模組中可用的一些材料模型

地質力學模組更新內容（Geomechanics Module Updates）

在 COMSOL Multiphysics® 6.4 版本中，針對使用 地質力學模組 的工程師，新增了更先進的材料模型公式、可支援顯式動力學分析的相場破壞（phase-field damage）建模方式，以及一項可加速計算非彈性應變的新功能。以下將說明這些更新重點。

材料模型改良（Improvements to Material Models）

在 線性彈性材料（Linear Elastic Material） 功能中，包含 土壤塑性（Soil Plasticity）、混凝土（Concrete） 以及 損傷模型（Damage） 的屬性皆採用全新的計算架構，使計算速度與記憶體使用效率有明顯提升。

這項新架構基於全新的數學公式，使這些材料屬性能直接應用於 顯式動力學分析（Explicit Dynamics） 中。

此外，土壤彈塑性（Elastoplastic Soil） 功能也獲得更新，整體在計算速度與解析穩定性上都有顯著提升。

COMSOL Multiphysics 介面中展示 Model Builder，其「Elastoplastic Soil Material」材料節點被選取；右側為對應的設定視窗，下方為邊坡穩定分析模型。

適用於顯式動力學的非線性材料模型（Nonlinear Material Models for Explicit Dynamics）

為提升 時間顯式分析（time-explicit analysis） 的效率，COMSOL 6.4 針對以下材料模型進行全面優化：

• 超彈性（Hyperelasticity）
• 塑性（Plasticity）
• 蠕變（Creep）
• 黏塑性（Viscoplasticity）

更新後可大幅提升顯式動力學（explicit dynamics）計算效能，同時也能讓其他分析類型在速度與穩定性上獲得明顯改善。

圓柱型電池進行 壓痕測試（Indentation Test） 的模擬範例，包含：

• 接觸力學（Contact Mechanics）
• 壓力相關塑性（Pressure-Dependent Plasticity）

並顯示電池在壓頭作用下的壓力分佈結果。

全新「相場損傷–顯式動力學」多物理耦合介面

為了在動態載荷下模擬材料的損傷演化與裂縫擴展，6.4 新增了 相場損傷–顯式動力學（Phase-Field Damage, Explicit Dynamics） 多物理介面。

此介面將下列兩者進行雙向耦合（bidirectional coupling）：

• 固體力學–顯式動力學（Solid Mechanics, Explicit Dynamics）
• 固體相場（Phase Field in Solids）

能更有效率地描述材料在高速、衝擊、斷裂等動態情況下的破壞行為。

以 AT1 相場損傷模型（AT1 Phase-Field Damage Model）
搭配 顯式動力學（Explicit Dynamics）
分析脆性材料的動態斷裂（dynamic fracture）行為。

Hencky 應變分解（Hencky Strain Decomposition）

全新的 對數應變分解（Logarithmic / Hencky strain decomposition） 選項，相較於傳統的 乘法分解（multiplicative decomposition），能大幅加速非彈性應變（inelastic strains） 的計算。

特別是在 塑性（plasticity）演算法 中，採用此方法可使計算速度明顯提升。

動畫示範：金屬管（metallic pipe）在兩個高剛性壓頭（stiff indenters）之間被擠壓，直到幾乎完全扁平，展示材料的大變形與非彈性行為。