基于COMSOLMultiphysics的格栅拱架模型力学性能研究

1、    基于comsolmultiphysics的格栅拱架模型力学性能研究    周游+李惠摘 要：通过在comsol multiphysics建模下构建格栅拱架模型，运用其固体力学模块中的屈曲分析和稳态研究功能，对模型的承载能力和变形特性进行了计算和仿真研究，分析得到拱圈和格栅有应力传递现象、下拱圈两翼发生s状变形的结论。关键词：格栅拱架；有限元模拟；承载能力；变形特性：tu312+.1 文献标志码：a ：2095-2945（2018）03-0167-02abstract： the grid arch frame model is built unde

2、r 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 gr

3、id and s-shaped deformation of the lower arch ring are obtained.keywords： grille arch frame； finite element simulation； bearing capacity； characteristics of deformation引言隨着地下结构的发展与兴起，格栅拱架的支护结构被工程界所广泛应用，因此研究其结构的承载能力与变形特性具有重要意义1-3。针对“格栅拱架的设计、建造与加载试验”的模型设计竞赛，通过运用comsol multiphysics中的稳态研究和屈曲分析功能，对参赛模型进行

4、相关力学性能研究。1 几何建模1.1 模型简述根据赛题制作和加载要求，提出一种六分段拱圈、倒三角直墙形式的格栅拱架模型，结构共五榀。模型长宽高尺寸为600mm×500mm×350mm，且模型底部有200mm的垂直净空和350mm的水平净空。除直墙处的杆件添加内撑外，其余杆件不添加内撑。模型设计图纸如图1所示。1.2 计算模型根据模型设计方案，在comsol有限元分析软件的固体力学模块中建立仿真计算模型。计算模型如图2所示。2 参数定义模型制作材料为230g巴西白卡纸（型号787mm×1092mm，230±5g），杆件设计截面尺寸为10mm×10

5、mm。对于添加内撑的杆件，其强度参数为未处理杆件的1.5倍。由此得到白卡纸的材料力学参数如表1所示。3 边界条件3.1 位移约束根据实际加载情况，模型需安放在与模型尺寸相同的加载箱内。约束条件定义与加载箱壁接触的杆件接触面为侧限约束，即接触面不发生垂直于箱壁的侧向位移。3.2 施加荷载加载实验需在拱顶覆盖白卡纸封层，在填砂后放置加载钢板和重力砝码进行静力加载。模型共受到拱顶上部的覆盖土体q1、加载钢板q2和外加砝码q3三部分载荷作用，视作均布荷载施加在模型杆件上。运用太沙基理论4计算得到施加土体的竖向荷载为拱顶q1t=3.75kpa，拱脚q1d=4.36kpa。加载钢板重量为20kg，则q2=

6、0.70kpa。最大可加载砝码质量为280kg，则q3=9.86kpa。覆盖土体计算荷载如图3所示。4 屈曲分析在最大加载质量300kg情况下，运用comsol屈曲分析功能对模型的受力变形进行数值模拟，结果如图4所示。根据数值模拟结果可以分析得到如下的变形特性：上拱圈中点处的竖向位移较大，下拱圈的梯形支承两翼发生明显的s状变形；在拱圈与直墙段连接处的相交节点有下压的现象；直墙段整体保持稳定，无明显的弯曲变形。求解得到监测点的z轴位移量为10.2mm，未超过位移要求限值20mm。5 稳态研究运用稳态研究功能对模型的承载力进行研究，得到模型的应力分布情况：在直墙段处的杆件应力最大，相交节点和上拱圈

7、次之，下拱圈应力最小，拱圈和格栅有明显的应力传递现象。模型应力分布数值模拟结果如图5所示。6 结束语运用comsol软件对格栅拱架模型进行屈曲分析和稳态研究，得到模型在梯形支承处发生明显s状变形，上拱圈中心点沉降位移较大的变形特性；模型的应力分布在直墙段处最大，拱圈和格栅有明显的应力传递作用。参考文献：1曲海锋，朱合华，黄成造，等.隧道初期支护的钢拱架与钢格栅选择研究j.地下空间与工程学报，2007，3（2）：258-262.2张德华，刘士海，任少强.高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究j.岩石力学与工程学报，2014，33（11）：2258-2266.3李树忱，冯丙阳，马腾飞，等.隧道格栅拱架喷射混凝土支护力学特性j.煤炭学报，2014，39（s1）：57-63.4王渭明，杨更社，张向东，等.岩石力学m.北京：中国矿业大学出版社，2010：175-176.5厉勤杰.浅谈隧道钢拱架支护的施工要点j.科技创新与应用，2016（20）：261.6王文学.浅议某高速公路的路基施工中土工格栅技术的应用j.科技创新与应用，2012（18）：144.7白昊天.土工格栅在处治路基不均匀沉降中的应用探讨j.科技创新与应用，2012（32）：189.endprint科技创新与应用2