_COMSOL在土木工程多物理场问题中的应用前景

COMSOL在土木工程多物理场问题中的应用前景毛笑笑周开发重庆交通大学土木工程学院，重庆400074摘要:本文采用综合分析和文献分析的方法，系统研究了COMSOL软件在桥梁、道路、岩土以及隧道等工程类多物理场问题中的应用。研究表明，COMSOL在工程类多物理场问题中具有三个方面的优势:⑴COMSOL能使用拓扑优化方法等进行结构优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ;⑵COMSOL能进行温度场、湿度场、应力场等多物理场耦合分析结构的受损程度，分析方法简单可靠;⑶COMSOL能模拟材料在多物理场下的侵蚀状况，应用其强大的后处理功能进行材料性能分析，结果精密准确。关键词:COMSOL;多物理场;优化设计;检测;材料腐蚀0引言COMSOL是基于偏微分方程的多物理场耦合有限元分析软件。与常用的有限元软件相比较，其建模仿真功能具有三个明显优势。第一，材料属性、边界条件和荷载均由方程组相应参数控制。用户在具有完全开放架构的COMSOL里自行定义并求解方程组，实现多物理场的直接耦合分析。第二，该软件具有大规模计算能力和专业的计算模型库。用户可以直接选取或自行定义结构力学、声学、热传导等一系列专业模块。第三，它具有丰富的后处理功能，可根据需要进行各种数据、曲线、图片及动画的输出及分析。［1］近年来，国内外学者借助COMSOL建模及分析方面的优势，初步探讨了其在土木工程中的应用，主要包括确定工程最优 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，分析及检测结构安全性，以及研究材料腐蚀等。本文综述了COMSOL在土木工程中的应用，分析了其在土木工程中的应用前景，为解决实际工程问题提供了新的途径。1COMSOL在土木工程多物理场问题中的应用1．1确定工程最优设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 1．1．1结构设计与其他软件相比，COMSOL具有最优化实验室和结构力学等模型和强大的后处理功能，模拟结构在多物理场下的受力，求解得到最优结果。通过设定相应参数实现多物理场耦合，分析结构整体或局部的变化。例如，用拓扑优化方法进行桥梁结构设计。根据现有技术，COMSOL还不能得出具体的桥梁结构设计方案，但模拟结果对结构设计有极大地参考价值。巴约纳大桥(见图1)与在均布荷载下的COMSOL优化结果(见图2)相吻合。图1巴约纳大桥图2COMSOL优化结构1．2分析及检测结构安全性1．2．1桥梁工程结构使用期间，安全性检测是必不可少的。表层结构可直接用人工或仪器进行检测，然而，桥墩、基础等隐藏部位却难以观察。在COMSOL中，工程师可以建立所需多物理场模型，通过设置参数模拟外部环境，分析结构损害程度。例如对桥墩冲刷进行次声检测。在密苏里州福特伦纳德伍德的小松树河铁路桁架桥模型中，选用砂土和黏土，进行了二维和三维分析。［2］结果显示，在1－3HZ通带下，小平移模态变形对桥墩无显著影响，并且低模态频率对桥墩基础和垂直与水平变形有显著影响。此模型证明了，COMSOL可应用于桥梁检测。图3三维桥墩模型1．2．2道路第一，路面排水。由于路面的孔隙结构等会影响到路面排水等，路面的孔隙通道如何连通成为一个关键性问题。J．J．GangloffJr使用了薄膜动力学的方法在COMSOL中模拟了空隙排水。该模型以树脂薄膜为例，模拟了路面空隙和真空通道在外部压力下的共同作用结果，与实际结果很接近［3］。第二，路基稳定性。路基的稳定性与道路使用寿命密切相关，其主要影响因素有水盐迁移和温度。地基中的水分场、盐分场、温度场和应力场等为典型的多物理场问题，COMSOL能快速简便地进行综合分析。例如，水盐运移和温度问题。张堃用COMSOL模拟分析了不同路基高度下的盐分场分布情况。结果表明，在一定范围内增加路堤高度，可减小路堤内盐分浓度，以达到防治盐渍土的目的［4］。白青波用COMSOL模拟了1月份和7月份的路基土体温度场，得出结果与实际相差不到5%。［5］因此，COMSOL可用于判断路基稳定性。1．2．3岩体82DOI:10.19301/j.cnki.zncs.2017.01.023近年来，岩土工程中岩土介质多物理场耦合特性研究成为热点。其中，在渗流场、应力场和温度场下，多孔介质渗流与应力、温度以及化学物质传递的耦合分析成为研究的重点。例如，岩体渗流和边坡稳定问题。目前，对此问题主要依赖经验公式来解决，无法得出准确的理论解。但基于现场监测数据，可用COMSOL进行模拟。例如，对开挖损伤区多物理场问题进行数值分析，并预测出开挖损伤区的非均匀性和各向异性对渗流、热传导和溶质运移等起重要控制作用。1．2．4隧道隧道开挖与岩体工程紧密相关，需要研究开挖过程中岩体开挖区的应力场等。其中，COMSOL对隧道开挖过程中的地表沉降量和临近开挖区的塑性区范围进行了数值模拟。由分析结果表明，在隧道开挖的底部，塑性区明显向下扩展。隧道开挖后，地表的沉降在隧道开挖位置处最大，离开挖处越远沉降量越小。［6］故可根据实际情况，对这些薄弱区进行加固处理。3．研究工程材料腐蚀问题目前，世界范围内土木工程基础设施均以钢筋混凝土和钢结构为主，解决其腐蚀问题成为一个重大难题。使用COMSOL多物理场耦合功能，可精确分析出各种材料在温度场、湿度场、应力场等多物理场下的性能变化。3．1混凝土结构3．1．1化学介质对混凝土的影响化学介质对混凝土的影响有多种，但多为多物理场问题。例如，混凝土与硫酸钠溶液反应会影响混凝土内部应力场分布。通过建立相关方程和选取参数，COMSOL建立了混凝土排污管道的渗流—反应模型。模拟结果显示，长期处于液面以下的污水管管壁(水下区)受硫酸盐腐蚀比其他部位严重，并且受硫酸根侵蚀的污水管壁破坏更为严重。根据分析结果，设计人员可对不同水深、不同使用年限的水管进行特殊处理。［7］3．1．2混凝土的抗冻性自20世纪30年代以来，国内外土木工程师就对混凝土的抗冻性进行了研究。混凝土是多孔介质材料，其内部有大量空隙，混凝土的水分在空隙中受冻会膨胀，空隙体积增大使混凝土内部受到拉应力，从而产生微裂缝。利用COMSOL软件，研究人员建立了基于温度场、应力场和多孔体系渗透场的多物理耦合模型，对受冻混凝土进行分析。3．2钢材钢材是工程结构中使用极为普遍的材料，但在外界环境下易与氧气、水分、氯离子等发生化学反应，从而引起锈蚀。为了解决钢材锈蚀问题，研究人员使用COMSOL主要分析了防护层破损的缝隙腐蚀、电腐蚀和氧化层腐蚀对钢材的影响。［8］3．2．1防护层破损下的缝隙腐蚀根据统计，美国每年由于油气管道的腐蚀造成将近70亿美元的损失，而管道防护层破损是造成该问题的重要原因。通过COMSOL真实模拟多物理场中，防护层破损的管道杂散电流在防护层破坏处的分布规律和强度变化。分析可知，管地电势浓度与杂散电流的强度成正比，土壤电阻率与杂散电流的强度成反比。［9］该结果对工程应用有极大的参考价值。3．2．2电腐蚀电腐蚀是一种电化学过程，比一般腐蚀更强。MTurner等用COMSOL建立相关方程，研究了不同金属在电解质溶液中腐蚀率、表面电势和电流的二维模型。材料方程参数一旦确定，基本模型就可建立，模型相关电势分布结果可由有限元分析得知。图13至图14为形状对构件阳极腐蚀率的影响。［10］图4直角构件电解质分布图图5椭圆角构件电解质分布图3．2．3氧化层腐蚀经研究可知，具有氧化层对钢材锈蚀有很大影响。BarzinjyDA．利用COMSOL对钢材表面腐蚀进行研究，建立了关于氧化物、氯化物和混凝土空隙溶液中其它七种离子物质输移的微分方程，并数值模拟了钢表面的电化学反应。分析结果可知，氧化层裂缝中和在氧化层与底层钢之间裂缝的CL－/OH－比在大体积混凝土溶液中大。因此，氧化层中的裂缝更容易钝化。［11］结论COMSOL是一种基于求解偏微分方程的数值仿真软件。该软件可根据自带的模块或自行创建模型求解多物理场问题，得出精确数值解。它能解决的工程实际问题主要有三个方面:工程设计、结构安全性检测、材料腐蚀。COMSOL具有大规模计算能力、专业的计算模型库和强大的后处理功能，可解决土木工程中部分没有精确理论解问题。因此，值得国内外专家对其进行深入研究。参考文献［1］WilliamB．J．Zimmerman．COMSOLMultiphysics有限元法多物理场建模与分析［J］．2007．［2］Ｒ．DanielleWhitlow，Oliver－DenzilS．Taylo．ScourDetectionandＲiverineHealthAssessmentUsingInfrasound［Ｒ］．EngineerＲesearcherandDevelopmentCenter，2016．［3］JrJG，HwangWＲ，AdvaniSG．ModelingVoidDrainagewithThinFilmDynamics［C］//COMSOLConference．2011．［4］张堃．黄泛盐渍土地区路基水盐迁移及隔断技术研究［D］．山东大学，2012．(下转第51页)925KN。弦杆为Φ250*12，AS=11424mm2，受压应力计算值为4．65N/mm2(远小于设计允许值215N/mm2)，无需变形计算;腹杆Φ200*100*8，AS=4544mm2，拉应力计算值为3．63N/mm2(远小于设计允许值215N/mm2)，无需变形计算。方钢桁架吊装整体变形计算，整体桁架考虑上下弦的剪切刚度，桁架节间剪切刚度计算公式如下:Dj=E/(d3/(l2Ad)+l/Ag)式中:E———钢材的弹性模量(N/mm2);d———斜腹杆长度(mm);l———桁架竖杆的水平距离(mm);Ad———斜腹杆的截面面积(mm2);Ag———上弦杆的截面面积(mm2)计算得:Dj=207．247(KN/mm)则吊装节点的竖向变形ΔNV/Di=33/207．247=0．159(mm)＜［vQ］=L/500=2．8(mm)吊装时桁架剪切变形量ω=53050/(207247*6)=0．043(mm)，符合规范要求。因此，方钢管桁架在吊装时的承载力和变形均满足设计和规范要求。(2)安装变形监测根据力学性能计算，方钢管桁架的吊装时杆件的内力很小，变形量微和其微。为了测量安装后变形量，在安装过程时采取以下变形测量方法进行测量验证。在钢桁架吊装前，在桁架下弦的方钢中轴线两侧面弹中心线，在吊装就位后，采用高精度红外线扫平仪及高精度水准仪进行复核测量，测量支座、跨中及1/3跨位置弹测的桁架下弦中心线与实际测量的水平线间的偏差值。一方面校核钢桁架两端支座安装标高是否正确，另一方面校核安装后桁架的挠度是否超过设计允许值。钢桁架挠度允许值如下表所示。构件类别挠度允许值［vT］［vQ］桁架及主梁L/400L/500L为构件跨度;［vT］为全部荷载标准值产生的挠度;［vQ］为可变荷载标准值下产生的挠度容许值。4、方钢管桁架制作允许偏差方钢桁架制作加工前应采用图形软件，认真复核下料尺寸，考虑焊接时的变形，精确下料尺寸，加工时，制作焊接胎架，以确保焊接成型质量。钢桁架制作的允许偏差表1所示。桁架制作的允许偏差项目允许偏差(mm)图例桁架最外端两个孔或两端支承面最外侧距离+3．0－7．0桁架跨中高度±10．0桁架跨中拱度设计要求起拱±10．0设计未要求起拱10．0，－5．0相邻节间弦杆弯曲(受压除外)l1/1000四、总结钢结构安装施工方案，不仅需根据钢结构的设计形式，而且需根据施工现场的场地情况，更需要考虑各种施工方法的安全性、经济性和质量保证。通过对本工程天幕结构安装，首先，需对设计方案进行审阅和分析，对设计不合理的提出合理化建议，有利于结构的安全，有利于方便 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 ;同时，可以起到缩短工期、降低造价，起到良好的经济效益和社会效益。(上接第29页)［5］白青波．附面层参数标定及冻土路基水热稳定数值模拟方法初探［D］．北京交通大学，2016．［6］潘俊群．基于COMSOLMultiphysics的隧洞开挖数值模拟［J］．中国水运月刊，2015，15(7):94－96．［7］孙连方，程旭东，范燕平，等．硫酸盐侵蚀下混凝土排污管道损伤研究［J］．低温建筑技术，2015，37(7):3－5．［8］GhodsP，KaradakisK，IsgorOB，etal．Modelingthechloride－inducedcorrosioninitiationofsteelrebarinconcrete［J］．ComsolAsia，2010．［9］王雷，董丽娜．基于COMSOLMultiphysics的杂散电流腐蚀仿真分析［J］．新技术新工艺，2014(1):22－24．［10］TurnerM，Gutierrez－MiraveteE．ModelingGalvanicCorrosion［J］．governing，2013，2:0．［11］BarzinjyDA．ModellingofmildsteelcorrosionusingCOMSOLmultiphysics［C］//Iceee2015Conference，InternationalConferenceonEcology，Environment，andEnergy“greenApproachesToEcology，EnvironmentandEnergy”12－13April．2015．(上接第31页)3生态城镇化建设的对策和建议3．1加大小城镇的建设力度城镇化的过程，主要是小城镇对于农村人口的吸纳，因此现在必须深化县域的产业支撑，充分发挥小城镇的带动作用，构建“两心三廊一带”的生态格局。结合当地的优势资源，全面提升小城镇的公共服务水平及人口和产业集聚能力，实现基础设施、综合服务功能的强化和就业机会增加;同时要优化空间布局，重视对教育资源的投入，重点发展本地特色产业，促进产业发展的一体化建设。在进行小城镇建设时，必须要优化城镇生态格局，吸取西方发达国家“先污染、再治理”的惨痛教训，充分发挥生态功能区的重要作用，加强鲁中生态绿心、黄河三角洲生态、半岛优质生态保育区建设，保护好湿地、水源、山体等敏感的生态区域，实现退耕还林、退耕还湿和退渔还湖，建设站平衡的生态系统。3．2创新农村新型社区建设山东省的城镇化必须结合当地的经济、人文发展的特点，因地制宜。山东省提出了农村新型社区的规划，因此要按 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 安排和统筹推进相关的配套设施、基础设施及公共服务建设，从而提高社区的服务水平。每个地区应充分借助当地条件和自身优势，推进特色产业园区建设，努力实现农村新型社区和产业园区的协调发展，培育具有本地特色的经济发展方式，实现就地城镇化，提高社区居民的就业率并鼓励积极创业。长远规划，把农村新型社区管理纳入城镇化发展计划，使新型农村社区成为城镇化建设的新型载体。3．3推进绿色城镇建设当前的城镇化并不是简单地把农村人口转移到城市，而是在城镇化过程中推进全省的生态环境建设，推行绿色、低碳和生态理念，倡导绿色的生产、生活、消费模式。按照绿色、低碳、生态的原则，推进绿色生态区的建设制度，加强评估和监管机制，合理布局工业区、生活区、娱乐区;加强低碳理念的宣传和实践，因地制宜地规划土地空间，使居民积极参与生态环境保护，实现居民的自我绿色建设和管理，摒弃浪费的生活习惯，在生活中处处节约能源和资源。大力推广绿色建筑，推进绿色建筑技术的应用，加快产业基地和配套服务体系，最终实现生态城镇化发展。参考文献［1］山东省统计局．2013年山东省国民经济和社会发展公报［EB/OK］．http:www．stats－sd．gov．cn［2］山东省住房和城乡建设厅．山东省建制镇主要指标统计(2012)［Z］．2012［3］陈有川，王林申，孔伟．2000年以来山东省城镇体系演变研究［J］．城市规划，201415