[發明專利]基于有限元的路面結構多物理場耦合數值模擬方法

有效

• 申請號: 201811066512.2
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109241636B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 李凌林;王忠源;李文龍
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 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任公司 34101
• 代理人: 何梅生

本發明公開一種基于有限元的路面結構多物理場耦合數值模擬方法，包括：定義力學、熱力學和水力學參數；定義車輛載荷和氣象函數；添加固體力學模塊，施加荷載并設置邊界條件；添加多孔介質傳熱模塊，引用氣象函數并設置邊界條件；添加達西定律模塊，引用氣象函數并設置邊界條件；添加多物理場耦合模塊，將多物理場耦合；計算并進行后處理分析。本發明將應力場、溫度場和水力場耦合，綜合研究多物理場對路用性能的影響。本發明對路面結構的選擇及分析具有良好的指導意義。

技術領域

本發明涉及路面結構的數值模擬，更具體地說是一種基于有限元的路面結構多物理場耦合數值模擬方法。

背景技術

一直以來，瀝青路面的路用性能是道路工程領域的研究熱點之一，研究人員可以借助有限元軟件便捷地進行路面結構分析，從而節省人力物力。

路面結構路用性能的改變往往是多個物理場共同作用的結果，包括應力場、溫度場和水力場等，現有技術中未能綜合考慮應力場、溫度場和水力場耦合的路面結構的分析，其在分析結果上必然存在偏差。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種基于有限元的路面結構多物理場耦合數值模擬方法，利用氣象數據建立路面結構瞬態溫度場和水力場，施加車輛移動荷載，實現路面結構的多物理場耦合數值模擬，以期更加準確地分析路面結構的路用性能，為路面材料和結構的選擇提供指導。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明基于有限元的路面結構多物理場耦合數值模擬方法的特點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參數、熱力學參數和水力學參數；

所述力學參數包括楊氏模量、泊松比和密度，對于黏彈性材料還包括黏彈性參數；

所述熱力學參數包括導熱系數、比熱容和熱膨脹系數；

所述水力學參數包括水力傳導率、孔隙率和Biot彈性參數；

步驟2：定義車輛荷載函數，以及基于當地氣象數據定義氣象函數；

所述車輛荷載函數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…；

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

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：添加固體力學模塊，針對所述固體力學模塊指定各結構層的材料性質，并添加邊界條件；

所述固體力學模塊的控制方程由式(4)所表征：

其中：

S為總應力，F為外力向量，ρ_s為固體材料密度，u為位移向量，▽·S為S的散度，為位移向量的二階時間導數；