

Nieściśliwość oznacza właściwość materiału lub ośrodka, który podczas obciążenia zmienia swój kształt, ale zachowuje prawie stałą objętość. Innymi słowy, materiał może się odkształcać, wydłużać, spłaszczać lub zmieniać geometrię, ale jego całkowita objętość praktycznie się nie zmienia.
Zjawisko to ma duże znaczenie w analizie numerycznej, szczególnie przy modelowaniu gumy, elastomerów, cieczy oraz niektórych procesów formowania materiałów.
Spis treści
Gdy na obiekt działa obciążenie zewnętrzne, może dojść do:
Materiały ściśliwe zmniejszają swoją objętość pod wpływem nacisku. Typowym przykładem są gazy, np. powietrze. Po sprężeniu zajmują mniejszą objętość i mogą magazynować energię w postaci ciśnienia. Dzięki temu sprężone powietrze w oponie pozwala przenosić ciężar samochodu.
Materiały nieściśliwe zachowują się inaczej. Podczas obciążenia mogą łatwo zmieniać kształt, ale ich objętość pozostaje prawie taka sama.
Do typowych materiałów i ośrodków uznawanych za nieściśliwe należą:
Guma jest dobrym przykładem materiału prawie nieściśliwego. Można ją rozciągać lub ściskać, ale objętość materiału pozostaje niemal stała. Jeśli gumowy element zostanie ściśnięty w jednym kierunku, zwykle rozszerzy się w innym kierunku.
Nieściśliwość oznacza, że materiał nie może „zniknąć” objętościowo pod wpływem nacisku. Jeżeli zostanie skrócony w jednym kierunku, musi zwiększyć swoje wymiary w innym.
W praktyce oznacza to, że:
Dla materiałów idealnie nieściśliwych współczynnik Poissona jest bliski wartości 0,5. Oznacza to, że podczas rozciągania materiał silnie kurczy się poprzecznie, aby zachować stałą objętość.
W metodzie elementów skończonych nieściśliwość jest istotnym warunkiem modelowania materiału. Jeżeli nie zostanie poprawnie uwzględniona, wyniki mogą być błędne, szczególnie dla gumy i elastomerów.
Nieściśliwość ma znaczenie w analizach takich jak:
W takich przypadkach klasyczne modele elementów skończonych mogą mieć trudności z poprawnym odwzorowaniem zachowania materiału.
Modelowanie materiałów nieściśliwych może prowadzić do trudności obliczeniowych. Jednym z typowych problemów jest nadmierne usztywnienie modelu, znane jako locking objętościowy.
Może to powodować:
Dlatego przy analizie materiałów prawie nieściśliwych często stosuje się specjalne elementy lub specjalne sformułowania numeryczne.
W programach MES nieściśliwość można uwzględniać różnymi metodami numerycznymi. Najczęściej stosuje się:
Metoda kary polega na wprowadzeniu dodatkowego ograniczenia, które przeciwdziała zmianie objętości. Jest stosunkowo prosta, ale wymaga odpowiedniego doboru parametrów. Metoda mnożników Lagrange’a pozwala dokładniej wymusić warunek nieściśliwości, ale zwiększa liczbę niewiadomych w układzie równań.
Nieściśliwość jest szczególnie ważna przy modelowaniu materiałów hiperelastycznych, takich jak guma. Materiały te mogą wykazywać bardzo duże odkształcenia, dlatego zachowanie objętościowe musi być opisane bardzo dokładnie.
W analizie takich materiałów uwzględnia się zwykle:
Niepoprawne przyjęcie ściśliwości materiału może znacząco zmienić wyniki analizy.

