[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于有限元的路面结构多物理场耦合数值模拟方法，其特征是所述模拟方法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Ta，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，为S的散度，为位移向量的二阶时间导数；所述指定各结构层的材料性质包括：指定各结构层道路材料为弹性或黏弹性材料，设定各结构层道路材料的热膨胀属性，所述热膨胀属性为热膨胀系数和应变参考温度；所述边界条件包括：各方向位移均为0的固定约束、令某方向位移为0的指定位移，以及边界载荷；步骤4：添加多孔介质传热模块，针对所述多孔介质传热模块指定材料性质，并定义路表的热通量；所述多孔介质传热模块的控制方程由式(5)所表征：其中：ρ_l为流体密度，C_p为流体恒压热容，(ρ_lC_p)_eff为有效体积恒压热容，T_tem为温度，为温度一阶时间导数，u_l为流体速度场，为温度梯度，q为传导热通量，k_eff为有效导热系数，为q的散度，Q_h为热源；所述指定材料性质是指将步骤1中定义的热力学参数赋予到材料中；所述定义路表的热通量是指在多孔介质传热模块中添加热通量接口，并输入由步骤2中定义的太阳辐射日变化函数q(t)和大气温度日变化函数Ta，其中太阳辐射日变化函数q(t)的热通量类型为广义向内热通量，大气温度日变化函数Ta的热通量类型为对流热通量，对于大气温度日变化函数Ta所属的对流热通量定义传热系数hc：hc＝3.7vw+9.4，vw为风速；步骤5：添加达西定律模块，针对所述达西定律模块指定材料性质，并添加边界条件；所述达西定律模块的控制方程由式(6)所表征：式(6)中，S_p为存储系数，p_l为孔隙水压力，为p_l的一阶时间导数，为ρ_l的散度，K为水力传导率，g为重力加速度，为流体压力梯度，重力方向上的单位向量，Q_m为质量源项；所述指定材料性质是指将步骤1定义的水力学参数中的水力传导率和孔隙率赋予到材料中；所述边界条件包括边界上的孔隙水压力和雨水法向流入速度；步骤6：添加多物理场耦合模块，并在其中输入Biot弹性参数；所述多物理场耦合模块的的控制方程由式(7)所表征：其中：α_B为Biot‑Willis系数，I为单位矩阵，ε_vol为体积应变，为ε_vol的一阶时间导数，为S‑α_Bp_lI的散度，为ρ_lu_l的散度；步骤7：计算并进行后处理分析所述计算是指针对所构建的路面结构体划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行耦合求解；所述后处理分析包括对路面结构进行应力场分析、位移场分析、温度场分析和孔隙水压力场分析，获得应力云图、位移云图、温度云图和孔隙水压力云图等，从而完成路面结构的多物理场耦合分析。