基于COMSOL Multiphysics的格柵拱架模型力學(xué)性能研究

周游+李惠

摘 要：通過在COMSOL Multiphysics建模下構(gòu)建格柵拱架模型，運(yùn)用其固體力學(xué)模塊中的屈曲分析和穩(wěn)態(tài)研究功能，對(duì)模型的承載能力和變形特性進(jìn)行了計(jì)算和仿真研究，分析得到拱圈和格柵有應(yīng)力傳遞現(xiàn)象、下拱圈兩翼發(fā)生S狀變形的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：格柵拱架；有限元模擬；承載能力；變形特性

中圖分類號(hào)：TU312+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0167-02

Abstract： The grid arch frame model is built under the COMSOL Multiphysics modeling， and by adopting the buckling analysis and the steady-state research function of its solid mechanics module， the load-carrying capacity and deformation characteristics of the model are calculated and simulated. The results of stress transfer in the arch ring and grid and S-shaped deformation of the lower arch ring are obtained.

Keywords： grille arch frame； finite element simulation； bearing capacity； characteristics of deformation

引言

隨著地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展與興起，格柵拱架的支護(hù)結(jié)構(gòu)被工程界所廣泛應(yīng)用，因此研究其結(jié)構(gòu)的承載能力與變形特性具有重要意義[1-3]。針對(duì)“格柵拱架的設(shè)計(jì)、建造與加載試驗(yàn)”的模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽，通過運(yùn)用COMSOL Multiphysics中的穩(wěn)態(tài)研究和屈曲分析功能，對(duì)參賽模型進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能研究。

1 幾何建模

1.1 模型簡(jiǎn)述

根據(jù)賽題制作和加載要求，提出一種六分段拱圈、倒三角直墻形式的格柵拱架模型，結(jié)構(gòu)共五榀。模型長(zhǎng)寬高尺寸為600mm×500mm×350mm，且模型底部有200mm的垂直凈空和350mm的水平凈空。除直墻處的桿件添加內(nèi)撐外，其余桿件不添加內(nèi)撐。模型設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)模型設(shè)計(jì)方案，在COMSOL有限元分析軟件的固體力學(xué)模塊中建立仿真計(jì)算模型。計(jì)算模型如圖2所示。

2 參數(shù)定義

模型制作材料為230g巴西白卡紙（型號(hào)787mm×1092mm，230±5g），桿件設(shè)計(jì)截面尺寸為10mm×10mm。對(duì)于添加內(nèi)撐的桿件，其強(qiáng)度參數(shù)為未處理?xiàng)U件的1.5倍。由此得到白卡紙的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 邊界條件

3.1 位移約束

根據(jù)實(shí)際加載情況，模型需安放在與模型尺寸相同的加載箱內(nèi)。約束條件定義與加載箱壁接觸的桿件接觸面為側(cè)限約束，即接觸面不發(fā)生垂直于箱壁的側(cè)向位移。

3.2 施加荷載

加載實(shí)驗(yàn)需在拱頂覆蓋白卡紙封層，在填砂后放置加載鋼板和重力砝碼進(jìn)行靜力加載。模型共受到拱頂上部的覆蓋土體q1、加載鋼板q2和外加砝碼q3三部分載荷作用，視作均布荷載施加在模型桿件上。運(yùn)用太沙基理論[4]計(jì)算得到施加土體的豎向荷載為拱頂q1t=3.75kPa，拱腳q1d=4.36kPa。加載鋼板重量為20kg，則q2=0.70kPa。最大可加載砝碼質(zhì)量為280kg，則q3=9.86kPa。覆蓋土體計(jì)算荷載如圖3所示。

4 屈曲分析

在最大加載質(zhì)量300kg情況下，運(yùn)用COMSOL屈曲分析功能對(duì)模型的受力變形進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以分析得到如下的變形特性：上拱圈中點(diǎn)處的豎向位移較大，下拱圈的梯形支承兩翼發(fā)生明顯的S狀變形；在拱圈與直墻段連接處的相交節(jié)點(diǎn)有下壓的現(xiàn)象；直墻段整體保持穩(wěn)定，無(wú)明顯的彎曲變形。求解得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的z軸位移量為10.2mm，未超過位移要求限值20mm。

5 穩(wěn)態(tài)研究

運(yùn)用穩(wěn)態(tài)研究功能對(duì)模型的承載力進(jìn)行研究，得到模型的應(yīng)力分布情況：在直墻段處的桿件應(yīng)力最大，相交節(jié)點(diǎn)和上拱圈次之，下拱圈應(yīng)力最小，拱圈和格柵有明顯的應(yīng)力傳遞現(xiàn)象。模型應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)格柵拱架模型進(jìn)行屈曲分析和穩(wěn)態(tài)研究，得到模型在梯形支承處發(fā)生明顯S狀變形，上拱圈中心點(diǎn)沉降位移較大的變形特性；模型的應(yīng)力分布在直墻段處最大，拱圈和格柵有明顯的應(yīng)力傳遞作用。

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