CN116562182A - 一种声屏障结构强度校核仿真分析系统及方法 - Google Patents

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CN116562182A CN202310372692.1A CN202310372692A CN116562182A CN 116562182 A CN116562182 A CN 116562182A CN 202310372692 A CN202310372692 A CN 202310372692A CN 116562182 A CN116562182 A CN 116562182A
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李昌辉
杨福宇
郭洪
闫书明
许思思
龚帅
梁美君
刘思源
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Shandong Hi Speed Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种声屏障结构强度校核仿真分析系统及方法。本申请先对声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型进行流场仿真，获得不同部位的表面风压，而后将声屏障各部位的表面风压映射至三维有限元模型中作为风荷载进行结构有限元仿真。由此，本申请能够更加真实客观地再现声屏障结构的风荷载特性，以更为准确地通过有限元数值模拟方法对声屏障结构各部件位置的强度、变形等进行校核验算。本申请能够更为全面、客观地再现声屏障各个部分的受力状况，区别于传统声屏障结构理论计算方式，本申请的校核结果更为直观，且能够迅速根据三维模型调整受力状况，以实现对风屏障结构的优化设计，推进数值模拟技术在路侧结构设计方面的应用与发展。

Description

一种声屏障结构强度校核仿真分析系统及方法
技术领域
本申请涉及风屏障载荷设计领域，具体而言涉及一种声屏障结构强度校核仿真分析系统及方法。
背景技术
声屏障设计荷载中，对声屏障影响最大的是风荷载。所在地区的最大风荷载对声屏障日常使用的稳定性起决定性作用，因此获取较为真实的声屏障结构的风压分布，是结构强度校核的关键。
目前声屏障设计计算主要方法是经验公式计算和理论计算，图1所示的传统风载荷计算模型中，将永久载荷(重力)、风荷载等取最不利组合，应用结构力学和材料力学的原理，将声屏障结构简化为薄壁杆件体系，采用极限状态设计方法进行验算。这种设计方法认为风载是固定的均布荷载分布在声屏障屏面板迎风面和立柱迎风面，在施加载荷时，将屏面板面载荷和立柱面载荷，利用线性载荷叠加的原理等效施加于立柱上，忽略屏面板与立柱的连接，圆柱型立柱采用简化截面统一均布，方形或H型立柱则忽略侧面和背面风载，不考虑屏面板及立柱多面受力状况，对于立柱的风载计算过于粗略，通过现有计算模型为实际工程提供数据有明显的局限性。
实际应用中，由于风来自不同方向并且风通过声屏障时，会形成绕流。风屏障的背面、侧面和角落部位都可能会产生旋涡。比如，参考图2所示的风对单一矩形建筑物绕流示意图，钝体周围流场分布复杂，且钝体表面风压差异较大。声屏障结构中，屏面板的迎风面及立柱的迎风面局部受到正向风压，而由于声屏障建筑体绕流作用，其背面会形成负压。传统的声屏障风载设计忽略其背面的风载荷，不能正确反映声屏障的风载受力状况，而对于某些声屏障结构，如若采用统一的均布载荷，可能存在一些部分要求过强形成较大的冗余设计、一些部位要求较弱强度不满足要求。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种声屏障结构强度校核仿真分析系统及方法，本申请在总结国内外声屏障结构设计经验的基础上，提出将计算流体力学(CFD)和计算结构力学(CSM)两种方法相耦合，采用流体计算软件与有限元结构计算软件，来实现声屏障结构设计计算与校核的方法，能够更为准确地获得声屏障各结构的受力情况从而确保路侧结构安全可靠。
首先，为实现上述目的，提出一种声屏障结构强度校核仿真分析方法，其步骤包括：第一步，根据声屏障及其基础结构构建全尺寸三维流场模型，对所述三维流场模型进行流场仿真，计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；第二步，根据声屏障及其基础结构构建全尺寸三维有限元模型，并根据声屏障结构设置所述三维有限元模型中各部件的材料特性、连接关系和边界条件；第三步，将第一步计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射到三维有限元模型中，施加风荷载；第四步，对三维有限元模型按照其各部位所受风荷载进行结构有限元仿真，获得不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据；第五步，根据不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据对声屏障结构所选部件及材料是否达标进行校核，在校核不通过时提示修改声屏障设计方案，直至全部达标后完成校核。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其第一步中，还在流场仿真迭代结果不收敛时触发执行以下步骤：步骤l1，调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，边界层高度，边界层层数，初始条件，流场计算方程；步骤l2，根据步骤l1重新对所述三维流场模型进行流场仿真，判断流场迭代计算是否收敛，在不收敛时重新返回步骤l1进行调整，直至模型收敛后计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其第四步中，还在结构有限元仿真迭代结果不收敛时触发执行以下步骤：步骤m1，调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，各部件之间连接关系，边界条件设置，仿真计算控制参数，各部件的材料属性，荷载设置；步骤m2，根据步骤m1重新对所述对三维有限元模型按照其各部位所受风荷载进行结构有限元仿真，判断结构有限元计算是否收敛，在不收敛时重新返回步骤m1进行调整，直至模型收敛后计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的应力数据、变形数据。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其第三步中，将第一步计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射到三维有限元模型中的具体步骤包括：步骤301，将第一步声屏障结构不同部位的坐标位置及其在不同风速条件下的表面风压转化至三维有限元模型中所使用的坐标单位；步骤302，对声屏障结构中相邻部位的风压数据进行线性插值运算，将声屏障结构中各部位的风压数据转化至对应于三维有限元模型中相应网格位置的风荷载数据。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其三维流场模型中，声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型的长度应达到标准段长度的10倍，三维有限元模型中仅取其中间位置的声屏障结构标准段进行分析。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其三维流场模型中，设置流场计算域的入风口全尺与寸三维流场模型迎风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的10倍，设置流场计算域的出风口与全尺寸三维流场模型背风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的20倍，设置流场计算域入风口与出风口之间气流通道的顶部与全尺寸三维流场模型顶端之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的5倍。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其三维流场模型中，设置声屏障结构面网格按照1mm～30mm的尺寸划分网格，设置声屏障结构基础的路桥及护栏结构面网格按照20mm～50mm的尺寸划分网格，流场计算域的气流通道中设置与声屏障结构距离大于3m位置上的面网格按照50mm～200mm尺寸划分网格，设置流域网格与面网格相匹配，设置流场计算域的气流通道中与声屏障结构距离大于10m位置上的网格尺寸按照100mm～2000mm划分；结构场三维有限元模型中设置声屏障立柱、底板、基础连接和其他钢结构构件按5mm～30mm尺寸划分网格，设置声屏障上非钢构件按15mm～35mm尺寸划分网格，设置声屏障下方混凝土结构的基础按25mm～100mm尺寸划分网格，设置声屏障下方钢结构的基础按10mm～50mm尺寸划分网格；第四步中，设置结构场三维有限元模型长度方向两端采用对称结构原理进行约束。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种声屏障结构强度校核仿真分析系统，其包括：流场分析单元，其根据声屏障结构及其基础结构构建的全尺寸三维流场模型进行流场仿真，计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；结构有限元单元，其根据声屏障结构及其基础结构构建的全尺寸三维有限元模型，并根据声屏障结构设置所述三维有限元模型中各部件的材料特性、连接位置关系和边界条件，根据不同风荷载数据计算声屏障结构的应力数据、变形数据；风压映射单元，其连接流场分析单元及结构有限元单元，用于将流场分析单元计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射输入至三维有限元模型中，向结构有限元单元输入声屏障结构不同部位在不同风速条件下的风荷载数据；校核单元，其连接结构有限元单元，用于根据不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据对声屏障结构所选部件及材料是否达标进行校核，在校核不通过时提示修改声屏障设计方案，直至全部达标后完成校核。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析系统，其中，所述流场分析单元还设置有流场自动分析模块，用于在流场仿真迭代结果不收敛时触发调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，边界层高度，边界层层数，初始条件，流场计算方程，以按照新的参数设置重新对所述三维流场模型进行流场仿真，直至流场迭代计算收敛后获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；所述结构有限元单元还设置有结构场自动分析模块，用于在结构有限元仿真迭代结果不收敛时触发调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，各部件之间连接关系，边界条件设置，仿真计算控制参数，各部件的材料属性，荷载设置，以按照新的参数设置对所述对三维有限元模型各部位所受风荷载进行结构有限元计算，直至结构有限元计算收敛后获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的应力数据、变形数据。
可选的，如上任一所述的声屏障结构强度校核仿真分析系统，其中，所述声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型与实际工程的长度、转弯状况、路桥状况、路基状况、周围建筑状况保持一致；流场分析单元中将声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型的长度延长至标准段长度的10倍进行计算，其中，流场计算域的入风口与全尺寸三维流场模型迎风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的10倍，设置流场计算域的出风口与全尺寸三维流场模型背风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的20倍，设置流场计算域入风口与出风口之间气流通道的顶部与全尺寸三维流场模型顶端之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的10倍；结构有限元单元中仅取其中间位置的声屏障结构标准段进行结构有限元计算，并且分析计算过程中设置声屏障结构的左右两侧采用对称结构原理进行约束。
有益效果
本申请所提供的声屏障结构强度校核仿真分析系统及方法，其先对声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型进行流场仿真，获得不同部位的表面风压，而后将声屏障各部位的表面风压映射至三维有限元模型中作为风荷载进行结构有限元仿真。由此，本申请能够更加真实客观地再现声屏障结构的风荷载特性，以更为准确地通过有限元数值模拟方法对声屏障结构各部件位置的强度、变形等进行校核验算。本申请能够更为全面、客观地再现声屏障各个部分的受力状况，区别于传统声屏障结构理论计算方式，本申请的校核结果更为直观，且能够迅速根据三维模型调整受力状况，以实现对风屏障结构的优化设计，推进数值模拟技术在路侧结构设计方面的应用与发展。
本申请中在声屏障结构的风载荷计算时，采用计算流体力学数值模拟方法来计算声屏障所承受的风荷载，通过流体计算软件可模拟出自然风通过声屏障结构时，声屏障结构各个部位的风流状态及风压值，利用该风压值进行插值运算后获得匹配于结构有限元模型的风荷载数据，由此通过精确的数值模拟方式，能够充分考虑声屏障结构材料信息、风压及重力等荷载及边界条件，通过有限元计算软件对声屏障结构进行分析，得到立柱、屏体、窗框及窗扇、基础等不同结构、不同受力位置的应力状况、变形情况和螺栓力状态，从而实现对声屏障结构和基础的精准校核验算。此方法可通过数值模拟计算辅助实现对声屏障结构的优化设计，针对结构中强度校核不符合应力评判标准的部位进行改进设计，通过替换材料或更改部件选型能够有效提高声屏障结构关键位置的整体结构强度。本申请针对声屏障结构所提供的流固耦合模拟计算方法展现了数值模拟技术在声屏障结构风荷载计算及结构设计计算方面的巨大潜力，是一种全新的路侧安全设施结构计算方法，对于路侧安全设施的结构设计与校核具有一定的借鉴作用。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是传统的声屏障风载荷计算示意图；
图2是风对单一矩形建筑物绕流示意图；
图3是本申请所提供的声屏障结构设计流固耦合计算方法的流程图；
图4是本申请的声屏障结构强度校核仿真分析系统框图；
图5是本申请实施例中所采用的仿真模型结构示意图；
图6是根据图5仿真模型运算获得的声屏障系统速度流线图；
图7是根据图5仿真模型运算获得的迎风侧压力分布云图；
图8是根据图5仿真模型运算获得的非迎风侧压力分布云图；
图9是根据图5仿真模型运算获得的压力分布断面云图；
图10是本申请实施例中所采用的声屏障结构有限元模型；
图11是对图10有限元模型顶部声屏障结构施加风压荷载的示意图；
图12是仿真获得的声屏障结构的立柱位移云图；
图13是仿真获得的声屏障结构的立柱应力云图；
图14是仿真获得的声屏障结构的屏体位移云图；
图15是仿真获得的声屏障结构中螺栓受力状况的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于声屏障结构本身而言，由公路路面或桥梁桥面中部指向声屏障结构外侧的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对声屏障结构时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对声屏障结构时，由公路路面或桥梁桥面指向声屏障结构顶端的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。
考虑到风屏障在自然风荷载作用下，各结构所受作用力主要为自然风作用下的外表面风压以及重力。风压分布可通过流体分析方式获得声屏障上所受风压荷载的分布情况，风屏障结构各部位的受力情况可通过结构分析模型获得各部位的变形情况。因此，本申请将流体分析和结构分析两大数值模拟分析方式相结合，通过将风压结果导入结构分析模块，得到声屏障在此风压下的结构变形，以准确研究声屏障结构在风压载荷下的结构强度。
参照图3所示的声屏障结构强度校核仿真分析方法的步骤流程图，本申请可通过如下步骤将风流体仿真与声屏障固体模型相结合，更为准确高效地实现对声屏障结构强度的验证：
第一步，构建声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型，对所述三维流场模型进行流场仿真，计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；
第二步，根据声屏障及其基础结构构建全尺寸三维有限元模型，并根据声屏障结构设置所述三维有限元模型中各部件的材料特性、连接关系和边界条件；
第三步，将第一步计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射到三维有限元模型中，施加风荷载；
第四步，对三维有限元模型按照其各部位所受风荷载进行结构有限元仿真，获得不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据；
第五步，根据不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据对声屏障结构所选部件及材料是否达标进行校核，在校核不通过时提示修改声屏障设计方案，直至全部达标后完成校核。
由此，本申请通过将计算流体力学(CFD)和计算结构力学(CSM)两种方法相耦合，采用流体计算软件与有限元结构计算软件，来实现声屏障结构设计计算与校核。上述流固耦合的计算方式区别于传统声屏障结构理论计算，其通过一种全新的计算方法，能够准确验证声屏障这种长悬臂结构的路桥附属设置在路桥复杂风流荷载环境下各部位的受力情况，从而通过建立全模型和风场，更直观以及准确，为实际工程提供有力的设计依据。
在此基础上，本申请还进一步对上述建模仿真分析方法进行了优化，通过如下的方式对模型中流固耦合方式进行创新，并由此通过对仿真分析过程每一步的详细规定，针对路桥环境及风屏障结构对仿真分析过程中流域大小，风场位置，风压形式等参数设置提出了指标要求，以获得更为准确的结构受力状况，更为准确地评估声屏障各结构部位的强度。
具体实践过程中，本申请可设置三维流场模型中，声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型的长度应达到标准段长度的10倍进行仿真，而在结构场的三维有限元模型中仅取其中间位置的声屏障结构标准段进行分析。
具体实践中，考虑到设置流场计算域的入风口与全尺寸三维流场模型迎风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的10倍，设置流场计算域的出风口与全尺寸三维流场模型背风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的20倍，设置流场计算域入风口与出风口之间气流通道的顶部与全尺寸三维流场模型顶端之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的5倍。对于直接安装在路面上的声屏障结构，声屏障下方基础位置无气流通过因此可设置为流域的底部，即，此时的声屏障流场模型中不在声屏障底部路面设置气流通道；对于安装在桥梁上的声屏障结构，其可以按照桥梁下方实际净空，根据不同情况相应在仿真模型底部留有对应尺寸的风通过距离；在路桥结构长度方向两端需要分别留10倍模型高度的距离。比如，以流场分析对象为桥梁和声屏障为例，分析对象标准段长度4m，则一般需建立模型长度40m，桥梁断面长度44m，模型高度约10m，则可取流体域计算大小为400m×300m×100m，桥梁及声屏障距离入风口为100m，距离出风口为256m。将流场仿真模型中入口至分析对象距离设置为大于分析对象高度10倍，将出口至分析对象距离设置为大于分析对象高度20倍，将侧方至分析对象距离设置为大于分析对象高度10倍，将上方至分析对象距离设置为大于分析对象高度5倍。将分析对象模型纵向长度设置为不小于标准段长度10倍，这样做的目的在于：风对声屏障等建筑设施的绕流虽然是个完全开口的流场，但是在应用流体力学数值模拟计算时，必须给定一个在声屏障周围的有限大小的计算区域。设定流场分析计算域时，采用全尺寸模型，不需要再对其进行缩尺。此时，为了配合于全尺寸模型，避免端部风流的干扰，减少边界的影响，同时兼顾计算效率，一般可通过将流场计算区域设置为上述范围以避免区域边界风流的干扰。将流场分析对象模型长度设置为标准段长度的10倍，可模拟声屏障连续设置的情况。由此，在真正提取数据时仅截取中间的标准段长度，即可排除端部风流产生的干扰。结构场的三维有限元模型通过设置对称约束模拟出声屏障连续设置的情况，模型底部可采用底部约束，也可不采用，采用底部约束作为一种可选方式，可根据不同的应用场景有不同的处理。本申请中可将声屏障本身结构、桥梁结构甚至周围建筑结构都设计为全尺寸模型，以准确模拟出风压对声屏障的作用。上述模型和现实结构的关系可直接采用1：1比例，一般二者量纲分别采用米和毫米。量纲的不用可通过第三步的映射过程得以解决。
第三步中，可按照如下的线性插值方式，将第一步计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，映射到三维有限元模型中：
步骤301，将第一步声屏障结构不同部位的坐标位置及其在不同风速条件下的表面风压转化至三维有限元模型中所使用的坐标单位；
步骤302，对声屏障结构中相邻部位的风压数据进行线性插值运算，将声屏障结构中各部位的风压数据转化至对应于三维有限元模型中相应网格位置的风荷载数据。
下面以一具体应用实例说明本申请基于上述方法构建的声屏障结构强度校核仿真分析系统的运行过程：
首先根据声屏障的实际特点，建立声屏障全尺寸三维流场仿真模型，采用流体力学计算软件，对声屏障及周边环境的流场进行模拟，计算声屏障系统在一定环境下的风效应，研究声屏障结构的三维流场，从而可获得不同风速条件下声屏障结构各个部位表面风压；
该步骤中，进行流域设定时，如果是对声屏障产品进行基于风荷载的强度计算分析验算，后续步骤中的结构场模型可仅建立标准段(模型长度为3个立柱间距的长度，模型中包含3个立柱，端部立柱的一侧保留半个立柱间距的结构长度)，但是流场模型一般需要设置较长结构以避免端部风流的干扰。如果有了具体的工程场景，一般可以按照实际工程情况构建特定应用场景的模型，模拟出例如弯道、桥梁、路基、周围建筑、其他构筑物对风载荷的影响。计算过程中，在构建好上述与实际工程的长度、转弯状况、桥梁状况、路基状况、周围建筑状况保持一致的声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型后，可将风对声屏障等建筑设施的绕流这种完全开口的流场，替换为流体力学数值模拟计算过程中的一个给定的设置在声屏障周围的有限大小的计算区域。设定流场分析计算域时，采用全尺寸模型，不需要再对其进行缩尺。为了减少边界的影响，同时考虑计算效率，上述给定的流场分析计算区域可按下述规则设置为合适大小：设置流场计算区域的入口至分析对象距离大于分析对象高度10倍，设置出口至分析对象距离大于分析对象高度20倍，设置上方至分析对象距离大于分析对象高度5倍，设置侧方至分析对象距离大于分析对象高度10倍。分析对象模型纵向长度不小于标准段长度10倍。由此构建的流场模型如图5所示。
随后，可按照应用场景中的风向要求选定入口、出口、壁面边界，在壁面边界上设置边界层参数，例如设置边界层高度、层数、大小参数。分析对象面网格大小可根据分析要求和结构最小、最大尺寸确定，一般控制在1mm～50mm之间，流域网格在分析对象附近应细密一些，与面网格相匹配，远离分析对象的区域可稀疏一些，可在0.5m～2m之间，稀疏网格和稀疏网格之间应平顺过渡。
例如流场分析对象为桥梁和声屏障，声屏障立柱等存在较小尺寸的部件且为主要关注对象，网格大小为1mm～30mm；桥梁护栏和桥梁等尺寸较大部件且非主要关注对象网格大小为20mm～50mm。以图5模型为例，可具体在流场仿真过程中，设置声屏障结构面网格按照1mm～30mm的尺寸划分网格，设置声屏障结构基础的桥梁及护栏结构面网格按照20mm～50mm的尺寸划分网格，流场计算域的气流通道中设置与声屏障结构距离大于3m位置上的面网格按照50mm～200mm尺寸划分网格并设置流域网格与面网格相匹配，设置流场计算域的气流通道中与声屏障结构距离大于10m位置上的网格尺寸按照100mm～2000mm划分。
模型划分完毕后可按照流体不可压缩、稳态计算选择求解器。
湍流方程，可选择RMS微分雷诺应力方程模型。其由时均连续方程(式1)、雷诺时均方程(式2)、雷诺输运应力方程(式3)、k和ε的方程(式4)、方程(式5)共同构成了封闭的雷诺应力方程的控制方程组。
时均连续性方程：
雷诺方程：
雷诺应力输运方程：
雷诺应力输运方程中，包含湍流动能k和耗散率ε。k和ε的方程如下：
式中：Pij为剪应力项；μt为湍动黏度；
Cμ＝0.09，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，σk＝0.82，σε＝1.0。
按照空气的物理性质定义密度、粘度参数。
以来风方向为入口，设置速度入口边界条件；
以相对入口的方向为出口，设置压力出口边界条件；
其他边界可设置为固体壁面边界条件，采用无滑移而且绝热的壁面边界条件。
根据仿真要求设置参考压力大小和位置、初始条件、计算收敛标准、迭代步骤等控制参数，并相应设置残差监控器，以在后面的迭代计算过程中监控残差变化和迭代计算收敛情况。
而后进行流场迭代计算。利用流体力学计算软件按照设置的参数和方法进行迭代计算，计算结果不收敛，可相应修改模型重新计算，直至计算收敛则可获得图6所示速度流线图以及图7图8所示迎风侧、背风侧压力分布，以及图9所示压力分布断面云图以进行后处理提取风压数据。
流场仿真迭代结果不收敛时具体可参照图4所示方式触发执行以下步骤以自动迭代调整模型参数获得收敛结果：步骤l1，调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，边界层高度，边界层层数，初始条件，流场计算方程；步骤l2，根据步骤l1重新对所述三维流场模型进行流场仿真，判断流场迭代计算是否收敛，在不收敛时重新返回步骤l1进行调整，直至模型收敛后计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压。
然后，可根据流场中声屏障结构建立精准的三维有限元模型。模型中可按照工程实际设置声屏障屏体、立柱、窗框、窗扇、卡扣、螺栓等结构，并建立结构连接关系(如焊接、螺接)和结构接触关系等，设置材料及边界条件，以对声屏障结构进行有限元计算。
这种对有限元结构的非线性计算需要以流体计算软件对设置模型计算得到的声屏障系统在风速下的三维流场和表面风压分布为应力条件。由结果云图可知，在一定风场下，声屏障屏体表面压力分布极不均匀，并且其正面和背面都有风压，受力计算时都是不可忽略的。流场的模拟可以直观真实地再现声屏障系统的周边流场情况，也可给出声屏障系统各个部分的风压结果。提取计算结果的风压数据，以映射到结构有限元模型上。
过程中可保持三维流场模型与结构有限元模型尺寸一致，空间位置匹配，将流场迭代计算得到的风压施加到结构有限元模型上，风压结果可按照节点位置进行线性插值，实现流场仿真结果到结构有限元模型单元的映射，然后采用有限元计算软件，进行声屏障在风载荷等荷载下的结构有限元计算。实践中，也可根据坐标映射关系，通过CFD模型与FEA模型之间坐标变换实现两模型空间位置上的匹配，从而将CFD计算得到的风压施加到结构FEA模型上的相应位置，以通过有限元计算软件，进行声屏障在风载荷等荷载下的结构有限元计算。
该计算过程的风压并不是均布的，而是屏面板、立柱等结构对一定风速风压响应的结果，因此声屏障结构的有限元计算属于结构、载荷及材料非线性强度计算。计算得到的应力和变形，可按照材料许用应力评判准则对结构强度进行校核和验证，同时根据立柱、屏体、窗框等变形要求，对其进行挠度/刚度校核和验证，还可得到屏体与立柱的连接结构以及立柱底板、钢结构与基础的连接螺栓的受力情况和应力状况，从而可按照不同螺栓的要求对螺栓力进行校核。
具体计算过程中，可保持三维声屏障标准段结构有限元模型与流场中模型空间位置匹配，并根据实际工程设计方案设置风屏障中各部件的材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比、应力应变曲线、厚度等。结合声屏障所使用环境，还可以使用材料在不同温度下的属性，以考虑温度的影响。模型各部件属性设置完毕后，可根据各部件之间的连接关系，如螺栓连接、焊接连接建立部件之间的连接，并以10所示方式设置模型边界条件，将基础底部设置为全约束，将模型侧面采用对称结构原理进行约束。按照实际条件和相关规范的规定考虑不同荷载共同作用，一般而言，可主要考虑的荷载有重力等永久荷载以及所受风压情况。设置计算的各项控制参数后，可对流场中风压结果的数据进行处理，将风压结果按照节点位置进行线性插值，将结果映射到有限元模型的结构单元上，获得图11所示声屏障结构表面的流场风压荷载。从而利用结构有限元计算软件按照设置的参数和方法进行迭代计算，并在计算结果不收敛时，相应修改模型重新计算，直至计算收敛后获得风屏障各位置变形和受力情况以对其安全性进行分析。
一般而言，当上述结构场分析过程中运算结果不收敛时，可具体通过图4所示的如下方式修改模型以获得收敛的计算结果：步骤m1，调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，各部件之间连接关系，边界条件设置，仿真计算控制参数，各部件的材料属性，荷载设置；步骤m2，根据步骤m1重新对所述对三维有限元模型按照其各部位所受风荷载进行结构有限元计算，判断结构有限元计算是否收敛，在不收敛时重新返回步骤m1进行调整，直至模型收敛后计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的应力数据、变形数据。
上述结构场三维有限元模型中，一般设置声屏障立柱、底板、基础连接和其他钢结构构件按5mm～30mm尺寸划分网格，设置声屏障上非钢构件按15mm～35mm尺寸划分网格，设置声屏障下方混凝土结构的基础按25mm～100mm尺寸划分网格，设置声屏障下方钢结构的基础按10mm～50mm尺寸划分网格。由此通过行声屏障在风荷载等荷载下的有限元静力分析，可获得图12至图15所示的声屏障中各部件结构在组合荷载下的变形及应力值。由此，本申请能够根据结构刚度要求，对声屏障结构进行刚度校核；根据材料许用应力设计准侧，对声屏障结构进行强度校核；根据锚固螺栓力的大小对锚固螺栓进行强度校核，以确保风屏障结构在相应风荷载条件下稳定可靠。
综上，本申请针对设置在空旷位置桥梁上的声屏障等结构提供一种流固耦合仿真计算方法，通过对声屏障结构进行全尺寸建模，通过对模型结构以及仿真参数的设置更为准确的模拟出风荷载对声屏障结构的施加方式，更为精准地确定风荷载应力的施加位置。由此，本申请能够通过对流场内流域风压数据的仿真模拟提取模型中各位置结点的风压数据，得到数据表，进而通过处理风压数据，使其格式和量纲满足结构有限元仿真要求，进而在采用插值计算方法结构场中通过映射方式将风压数据耦合加载到结构场模型上，对风屏障结构受力变形情况进行更为准确的处理分析以直接指导工程设计和应用。本申请的仿真方式能够减少常规通过理论计算，或者通过简化结构进行单一受力计算所导致的误差，更为精准地校核出声屏障零部件结构中承载应力的关键点结构强度是否达标，通过计算声屏障与桥梁主体结构的风载，评估风压和构件强度，验证声屏障结构能否满足应用于桥梁主体结构上的要求。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，步骤包括：
第一步，根据声屏障及其基础结构构建全尺寸三维流场模型，对所述三维流场模型进行流场仿真，计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；
第二步，根据声屏障及其基础结构构建全尺寸三维有限元模型，并根据声屏障结构设置所述三维有限元模型中各部件的材料特性、连接关系和边界条件；
第三步，将第一步计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射到三维有限元模型中，施加风荷载；
第四步，对三维有限元模型按照其各部位所受风荷载进行结构有限元仿真，获得不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据；
第五步，根据不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据对声屏障结构所选部件及材料是否达标进行校核，在校核不通过时提示修改声屏障设计方案，直至全部达标后完成校核。
2.如权利要求1所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，第一步中，还在流场仿真迭代结果不收敛时触发执行以下步骤：
步骤l1，调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，边界层高度，边界层层数，初始条件，流场计算方程；
步骤l2，根据步骤l1重新对所述三维流场模型进行流场仿真，判断流场迭代计算是否收敛，在不收敛时重新返回步骤l1进行调整，直至模型收敛后计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压。
3.如权利要求2所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，第四步中，还在结构有限元仿真迭代结果不收敛时触发执行以下步骤：
步骤m1，调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，各部件之间连接关系，边界条件设置，仿真计算控制参数，各部件的材料属性，荷载设置；
步骤m2，根据步骤m1重新对所述对三维有限元模型按照其各部位所受风荷载进行结构有限元仿真，判断结构有限元计算是否收敛，在不收敛时重新返回步骤m1进行调整，直至模型收敛后计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的应力数据、变形数据。
4.如权利要求2所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，所述第三步中，将第一步计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射到三维有限元模型中的具体步骤包括：
步骤301，将第一步声屏障结构不同部位的坐标位置及其在不同风速条件下的表面风压转化至三维有限元模型中所使用的坐标单位；
步骤302，对声屏障结构中相邻部位的风压数据进行线性插值运算，将声屏障结构中各部位的风压数据转化至对应于三维有限元模型中相应网格位置的风荷载数据。
5.如权利要求1-4所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，三维流场模型中，声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型的长度应达到标准段长度的10倍，三维有限元模型中仅取其中间位置的声屏障结构标准段进行分析。
6.如权利要求5所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，三维流场模型中，设置流场计算域的入风口与全尺寸三维流场模型迎风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的10倍，设置流场计算域的出风口与全尺寸三维流场模型背风面之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的20倍，设置流场计算域入风口与出风口之间气流通道的顶部与全尺寸三维流场模型顶端之间的距离至少达到声屏障结构标准段高度的5倍。
7.如权利要求5所述的声屏障结构强度校核仿真分析方法，其特征在于，三维流场模型中，设置声屏障结构面网格按照1mm～30mm的尺寸划分网格，设置声屏障结构基础的路桥及护栏结构面网格按照20mm～50mm的尺寸划分网格，流场计算域的气流通道中设置与声屏障结构距离大于3m位置上的面网格按照50mm～200mm尺寸划分网格，设置流域网格与面网格相匹配，设置流场计算域的气流通道中与声屏障结构距离大于10m位置上的网格尺寸按照100mm～2000mm划分；
结构场三维有限元模型中设置声屏障立柱、底板、基础连接和其他钢结构构件按5mm～30mm尺寸划分网格，设置声屏障上非钢构件按15mm～35mm尺寸划分网格，设置声屏障下方混凝土结构的基础按25mm～100mm尺寸划分网格，设置声屏障下方钢结构的基础按10mm～50mm尺寸划分网格；
第四步中，设置结构场三维有限元模型长度方向两端采用对称结构原理进行约束。
8.一种声屏障结构强度校核仿真分析系统，其特征在于，包括：
流场分析单元，其根据声屏障结构及其基础结构构建的全尺寸三维流场模型进行流场仿真，计算获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；结构有限元单元，其根据声屏障结构及其基础结构构建的全尺寸三维有限元模型，并根据设置所述三维有限元模型中各部件的材料特性、连接位置关系和边界条件，根据不同风荷载数据计算声屏障结构的应力数据、变形数据；风压映射单元，其连接流场分析单元及结构有限元单元，用于将流场分析单元计算所得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压，按照线性插值方式映射输入至三维有限元模型中，向结构有限元单元输入声屏障结构不同部位在不同风速条件下的风荷载数据；
校核单元，其连接结构有限元单元，用于根据不同风速条件下声屏障结构的应力数据、变形数据对声屏障结构所选部件及材料是否达标进行校核，在校核不通过时提示修改声屏障设计方案，直至全部达标后完成校核。
9.如权利要求8所述的声屏障结构强度校核仿真分析系统，其特征在于，所述流场分析单元还设置有流场自动分析模块，用于在流场仿真迭代结果不收敛时触发调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，边界层高度，边界层层数，初始条件，流场计算方程，以按照新的参数设置重新对所述三维流场模型进行流场仿真，直至流场迭代计算收敛后获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的表面风压；
所述结构有限元单元还设置有结构场自动分析模块，用于在结构有限元仿真迭代结果不收敛时触发调整以下任意参数设置或以下任意参数设置的组合：网格形状，网格大小，网格质量，各部件之间连接关系，边界条件设置，仿真计算控制参数，各部件的材料属性，荷载设置，以按照新的参数设置对所述对三维有限元模型各部位所受风荷载进行结构有限元仿真，直至结构有限元计算收敛后获得声屏障结构不同部位在不同风速条件下的应力数据、变形数据。
10.如权利要求8-9所述的声屏障结构强度校核仿真分析系统，其特征在于，所述声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型与实际工程的长度、转弯状况、路桥状况、路基状况、周围建筑状况保持一致；
流场分析单元中将声屏障结构及其基础结构的全尺寸三维流场模型的长度延长至标准段长度的10倍进行计算；
结构有限元单元中仅取其中间位置的声屏障结构标准段进行结构有限元计算，并且分析计算过程中设置声屏障结构的左右两侧采用对称结构原理进行约束。
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