基于COMSOL Multiphysics的格柵拱架模型力學性能研究

周游+李惠

摘 要：通過在COMSOL Multiphysics建模下構建格柵拱架模型，運用其固體力學模塊中的屈曲分析和穩態研究功能，對模型的承載能力和變形特性進行了計算和仿真研究，分析得到拱圈和格柵有應力傳遞現象、下拱圈兩翼發生S狀變形的結論。

關鍵詞：格柵拱架；有限元模擬；承載能力；變形特性

中圖分類號：TU312+.1 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著地下結構的發展與興起，格柵拱架的支護結構被工程界所廣泛應用，因此研究其結構的承載能力與變形特性具有重要意義[1-3]。針對“格柵拱架的設計、建造與加載試驗”的模型設計競賽，通過運用COMSOL Multiphysics中的穩態研究和屈曲分析功能，對參賽模型進行相關力學性能研究。

1 幾何建模

1.1 模型簡述

根據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，結構共五榀。模型長寬高尺寸為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撐外，其余桿件不添加內撐。模型設計圖紙如圖1所示。

1.2 計算模型

根據模型設計方案，在COMSOL有限元分析軟件的固體力學模塊中建立仿真計算模型。計算模型如圖2所示。

2 參數定義

模型制作材料為230g巴西白卡紙（型號787mm×1092mm，230±5g），桿件設計截面尺寸為10mm×10mm。對于添加內撐的桿件，其強度參數為未處理桿件的1.5倍。由此得到白卡紙的材料力學參數如表1所示。

3 邊界條件

3.1 位移約束

根據實際加載情況，模型需安放在與模型尺寸相同的加載箱內。約束條件定義與加載箱壁接觸的桿件接觸面為側限約束，即接觸面不發生垂直于箱壁的側向位移。

3.2 施加荷載

加載實驗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。運用太沙基理論[4]計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。最大可加載砝碼質量為280kg，則q3=9.86kPa。覆蓋土體計算荷載如圖3所示。

4 屈曲分析

在最大加載質量300kg情況下，運用COMSOL屈曲分析功能對模型的受力變形進行數值模擬，結果如圖4所示。

根據數值模擬結果可以分析得到如下的變形特性：上拱圈中點處的豎向位移較大，下拱圈的梯形支承兩翼發生明顯的S狀變形；在拱圈與直墻段連接處的相交節點有下壓的現象；直墻段整體保持穩定，無明顯的彎曲變形。求解得到監測點的z軸位移量為10.2mm，未超過位移要求限值20mm。

5 穩態研究

運用穩態研究功能對模型的承載力進行研究，得到模型的應力分布情況：在直墻段處的桿件應力最大，相交節點和上拱圈次之，下拱圈應力最小，拱圈和格柵有明顯的應力傳遞現象。模型應力分布數值模擬結果如圖5所示。

6 結束語

運用COMSOL軟件對格柵拱架模型進行屈曲分析和穩態研究，得到模型在梯形支承處發生明顯S狀變形，上拱圈中心點沉降位移較大的變形特性；模型的應力分布在直墻段處最大，拱圈和格柵有明顯的應力傳遞作用。

參考文獻：

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