[發(fā)明專利]基于有限元的路面結(jié)構(gòu)多物理場耦合數(shù)值模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811066512.2
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109241636B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李凌林;王忠源;李文龍
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

1.一種基于有限元的路面結(jié)構(gòu)多物理場耦合數(shù)值模擬方法，其特征是所述模擬方法是在多物理場耦合有限元軟件中按如下步驟進行：

步驟1：定義道路材料的力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)；

所述力學(xué)參數(shù)包括楊氏模量、泊松比和密度，對于黏彈性材料還包括黏彈性參數(shù)；

所述熱力學(xué)參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)；

所述水力學(xué)參數(shù)包括水力傳導(dǎo)率、孔隙率和Biot彈性參數(shù)；

步驟2：定義車輛荷載函數(shù)，以及基于當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)定義氣象函數(shù)；

所述車輛荷載函數(shù)F(t)由式(1)所表征，所述車輛荷載包括靜荷載和動荷載，所述動荷載為半正弦荷載：

式(1)中，A為荷載幅值，t為時間，t₀為單周期內(nèi)荷載作用時長，T為相鄰兩荷載作用的時間間隔，k＝0,1,2…；

所述氣象函數(shù)包括由式(2)所表征的太陽輻射日變化函數(shù)q(t)、由式(3)所表征的大氣溫度日變化函數(shù)T_a，以及根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)定的降雨日變化函數(shù)；

其中：

q₀為日最大輻射強度，q₀＝0.131mQ，m＝12/c；Q為日太陽輻射總量；c為實際日照時間；ω為角頻率；為日平均氣溫，T_m為日氣溫變化幅度，為日最高氣溫，為日最低氣溫；T₀為初相位；

步驟3：添加固體力學(xué)模塊，針對所述固體力學(xué)模塊指定各結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)，并添加邊界條件；

所述固體力學(xué)模塊的控制方程由式(4)所表征：

其中：

S為總應(yīng)力，F(xiàn)為外力向量，ρ_s為固體材料密度，u為位移向量，為S的散度，為位移向量的二階時間導(dǎo)數(shù)；

所述指定各結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)包括：指定各結(jié)構(gòu)層道路材料為彈性或黏彈性材料，設(shè)定各結(jié)構(gòu)層道路材料的熱膨脹屬性，所述熱膨脹屬性為熱膨脹系數(shù)和應(yīng)變參考溫度；

所述邊界條件包括：各方向位移均為0的固定約束、令某方向位移為0的指定位移，以及邊界載荷；

步驟4：添加多孔介質(zhì)傳熱模塊，針對所述多孔介質(zhì)傳熱模塊指定材料性質(zhì)，并定義路表的熱通量；

所述多孔介質(zhì)傳熱模塊的控制方程由式(5)所表征：

其中：ρ_l為流體密度，C_p為流體恒壓熱容，(ρ_lC_p)_eff為有效體積恒壓熱容，T_tem為溫度，為溫度一階時間導(dǎo)數(shù)，u_l為流體速度場，為溫度梯度，q為傳導(dǎo)熱通量，k_eff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，為q的散度，Q_h為熱源；

所述指定材料性質(zhì)是指將步驟1中定義的熱力學(xué)參數(shù)賦予到材料中；

所述定義路表的熱通量是指在多孔介質(zhì)傳熱模塊中添加熱通量接口，并輸入由步驟2中定義的太陽輻射日變化函數(shù)q(t)和大氣溫度日變化函數(shù)T_a，其中太陽輻射日變化函數(shù)q(t)的熱通量類型為廣義向內(nèi)熱通量，大氣溫度日變化函數(shù)T_a的熱通量類型為對流熱通量，對于大氣溫度日變化函數(shù)T_a所屬的對流熱通量定義傳熱系數(shù)h_c：h_c＝3.7v_w+9.4，v_w為風(fēng)速；

步驟5：添加達西定律模塊，針對所述達西定律模塊指定材料性質(zhì)，并添加邊界條件；

所述達西定律模塊的控制方程由式(6)所表征：

式(6)中，S_p為存儲系數(shù)，p_l為孔隙水壓力，為p_l的一階時間導(dǎo)數(shù)，為ρ_l的散度，K為水力傳導(dǎo)率，g為重力加速度，為流體壓力梯度，重力方向上的單位向量，Q_m為質(zhì)量源項；

所述指定材料性質(zhì)是指將步驟1定義的水力學(xué)參數(shù)中的水力傳導(dǎo)率和孔隙率賦予到材料中；

所述邊界條件包括邊界上的孔隙水壓力和雨水法向流入速度；

步驟6：添加多物理場耦合模塊，并在其中輸入Biot彈性參數(shù)；

所述多物理場耦合模塊的控制方程由式(7)所表征：

其中：α_B為Biot-Willis系數(shù)，I為單位矩陣，ε_vol為體積應(yīng)變，為ε_vol的一階時間導(dǎo)數(shù)，為S-α_Bp_lI的散度，為ρ_lu_l的散度；

步驟7：計算并進行后處理分析

所述計算是指針對所構(gòu)建的路面結(jié)構(gòu)體劃分有限元網(wǎng)格，利用有限元方法對各模塊的控制方程進行耦合求解；

所述后處理分析包括對路面結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力場分析、位移場分析、溫度場分析和孔隙水壓力場分析，獲得應(yīng)力云圖、位移云圖、溫度云圖和孔隙水壓力云圖等，從而完成路面結(jié)構(gòu)的多物理場耦合分析。