[发明专利]基于有限元的路面结构多物理场耦合数值模拟方法

说明书

本发明公开一种基于有限元的路面结构多物理场耦合数值模拟方法，包括：定义力学、热力学和水力学参数；定义车辆载荷和气象函数；添加固体力学模块，施加荷载并设置边界条件；添加多孔介质传热模块，引用气象函数并设置边界条件；添加达西定律模块，引用气象函数并设置边界条件；添加多物理场耦合模块，将多物理场耦合；计算并进行后处理分析。本发明将应力场、温度场和水力场耦合，综合研究多物理场对路用性能的影响。本发明对路面结构的选择及分析具有良好的指导意义。

技术领域

本发明涉及路面结构的数值模拟，更具体地说是一种基于有限元的路面结构多物理场耦合数值模拟方法。

背景技术

一直以来，沥青路面的路用性能是道路工程领域的研究热点之一，研究人员可以借助有限元软件便捷地进行路面结构分析，从而节省人力物力。

路面结构路用性能的改变往往是多个物理场共同作用的结果，包括应力场、温度场和水力场等，现有技术中未能综合考虑应力场、温度场和水力场耦合的路面结构的分析，其在分析结果上必然存在偏差。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于有限元的路面结构多物理场耦合数值模拟方法，利用气象数据建立路面结构瞬态温度场和水力场，施加车辆移动荷载，实现路面结构的多物理场耦合数值模拟，以期更加准确地分析路面结构的路用性能，为路面材料和结构的选择提供指导。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于有限元的路面结构多物理场耦合数值模拟方法的特点是在多物理场耦合有限元软件中按如下步骤进行：

步骤1：定义道路材料的力学参数、热力学参数和水力学参数；

所述力学参数包括杨氏模量、泊松比和密度，对于黏弹性材料还包括黏弹性参数；

所述热力学参数包括导热系数、比热容和热膨胀系数；

所述水力学参数包括水力传导率、孔隙率和Biot弹性参数；

步骤2：定义车辆荷载函数，以及基于当地气象数据定义气象函数；

所述车辆荷载函数F(t)由式(1)所表征，所述车辆荷载包括静荷载和动荷载，所述动荷载为半正弦荷载：

式(1)中，A为荷载幅值，t为时间，t₀为单周期内荷载作用时长，T为相邻两荷载作用的时间间隔，k＝0,1,2…；

所述气象函数包括由式(2)所表征的太阳辐射日变化函数q(t)、由式(3)所表征的大气温度日变化函数T_a，以及根据气象数据设定的降雨日变化函数；

其中：

q₀为日最大辐射强度，q₀＝0.131mQ，m＝12/c；Q为日太阳辐射总量；c为实际日照时间；ω为角频率；为日平均气温，/T_m为日气温变化幅度，为日最高气温，/为日最低气温；T₀为初相位；

步骤3：添加固体力学模块，针对所述固体力学模块指定各结构层的材料性质，并添加边界条件；

所述固体力学模块的控制方程由式(4)所表征：

其中：

S为总应力，F为外力向量，ρ_s为固体材料密度，u为位移向量，▽·S为S的散度，为位移向量的二阶时间导数；