声屏障结构设计福音！基于伏图的声屏障结构强度校核仿真APP开发及应用
声屏障，主要用于公路、高速公路、铁路、高架、桥梁和其它噪声源的隔声降噪，是一种重要交通设施。道路工程中应用较广泛的声屏障有三种：直立式声屏障、微弧式声屏障和折板式声屏障。
折板式声屏障
声屏障主要由支撑结构、吸声板及连接构件组成。工程上多采用H型立柱作为支撑结构，以确保声屏障具备良好的结构强度并便于安装和维护。由于声屏障迎风面积大，为保其安全可靠，需进行抗风计算。其中，支撑结构风载荷下的强度与稳定性尤为关键，已成为声屏障设计的主要内容和基本要求。根据《声屏障结构技术标准》(GB/T 51335-2018）和《公路声屏障 第2部分：总体技术要求》(JT/T 646.2-2016) 的规定，声屏障结构设计应考虑声屏障材料本身结构的强度与刚度、支撑结构的强度与稳定性，以及声屏障连接系统的强度及耐久性。
传统的声屏障结构设计主要依赖经验公式和理论计算，存在估算较为粗略、主体设计保守而关键部位设计不足等缺陷。随着科技的进步，有限元仿真技术的应用使得声屏障结构计算更加快速、直观、科学和准确，仿真技术在声屏障结构形式、材料应用、风载模拟、抗风性能和安全性能分析等方面可以发挥巨大作用。
本案例基于云道智造伏图（Simdroid）平台的隐式结构分析功能，对直立式、微弧式及折板式三种形式的H型立柱结构进行重力及风压载荷计算，模拟其在不同风压下的受力状态，并对仿真过程进行封装，形成声屏障立柱强度校核仿真APP。该APP能够指导风屏障立柱结构抗风性能设计与校核，对保障声屏障的安全可靠、提升声屏障品质具有重要的工程意义和价值。
一、声屏障立柱强度校核仿真APP开发
1. 声屏障结构设计要求
根据《声屏障结构技术标准》规定，声屏障结构设计的主要计算包括：
1) 荷载的计算与组合：声屏障结构设计应考虑自重、风荷载、行车脉动以及其他荷载，屏障的设计荷载应根据使用过程中可能同时作用的荷载进行整合，并应按最不利条件进行设计。
2) 立柱的设计与强度计算。
3) 屏障与基座的连接螺栓的设计与强度计算。
因此声屏障结构有限元模型应包含：至少2个典型形状尺寸内的立柱、吸声板及连接构件和基座。而声屏障结构计算主要是立柱的设计与校核，为简化模型，本次仿真过程只针对立柱结构进行有限元仿真计算。立柱结构受力分析：重力、风压及两边吸声板及连接结构对其产生的力和弯矩，如下图示：
声屏障立柱受力图
载荷说明：考虑两端吸声板与连接机构影响，重力系数取1.3；根据风速与风压对应表，风压取值范围为(0~2.37kPa,对应最高风速60m/s)，风载荷设计标准值取当地50年重现期的风速值，沿海地区一般30~40m/s (<1kPa)；连接结构和吸声板因重力和风载荷对立柱所产生的力和弯矩，在本次模拟中以当量表面压力的形式施加在立柱面上。
2. 仿真分析流程搭建
基于以上声屏障结构的简化模型以及载荷状况，采用伏图平台 完成声屏障立柱强度校核的仿真流程：2D草图>几何建模>部件属性>网格剖分>边界和载荷设置>分析求解>结果后处理。立柱有限元模型采用六面体网格，立柱材料为Q235钢，基座底板单元六自由度全约束，载荷为重力及风压组合。下图为立柱H型截面的草图建立及参数关联。
创建草图及参数关联
3. 仿真APP开发流程
完成有限元分析过程后，就可以对仿真分析过程进行封装，制作仿真APP。仿真APP的开发流程为：
1) 确立仿真模型，即在伏图平台 完成完整的模型建立求解及后处理过程；
2) 明确使用对象，即在模型中对需要变化的参数进行设置及关联；
3) APP界面设计及开发；
– 输入（参数、几何等）、输出（图形、表格、数据的处理、报告等）
– 仿真分析计算流程（多个分析、耦合分析等）
4) 调试APP正常运行，并导出APP；
5) 在Simapps网站发布部署APP并投入使用。
值得一提的是，需要预先定义仿真APP中的变化参数，可在预定义中设置结构尺寸、网格尺寸、材料、载荷等一系列必要的参数，然后将其与有限元分析过程中的对象关联起来，以达到在仿真APP中不同参数的计算结果。预定义参数设置及关联，可在仿真分析流程中任何环节进行。完成参数关联后，所定义的参数才会在仿真APP表单的选择项中。
通过仿真APP，工程师无需具备专业的CAE仿真建模知识，即可完成仿真流程，大大降低了仿真分析的门槛。用户只需要进行简单的参数修改并提交计算，就可以实现不同立柱结构的受力分析计算，进而对立柱结构强度进行校核评估。此外，通过对比不同形式的立柱结果，还可选择出适合的立柱设计方案，并为后续的设计方案优化提供指导。
直立式声屏障立柱计算仿真APP
微弧式声屏障立柱计算仿真APP
折板式声屏障立柱计算仿真APP
二、声屏障结构计算仿真APP应用扩展
声屏障立柱强度校核中仅对声屏障立柱及基座（底板）结构进行了有限元建模和分析，对于完整的声屏障结构计算，还需要做以下几个方面的扩展：
1. 将声屏障型式作为参数。可以将直立式、微弧式、折板式以及大弧形和封闭式作为选择项集中在一个APP中。
声屏障结构计算仿真APP扩展示意
2. 添加声屏障屏体模型。声屏障屏体材质有很多种：金属型、非金属型（如玻璃/水泥/木材/混凝土/亚克力板等）以及组合型。由于屏体面积较大，其自重及风载荷不可忽略。本次分析中未考虑屏体及立柱的连接关系，仅对屏体因风载对立柱所产生的力与弯矩作了当量假设，对于声屏障结构受力模拟存在一定局限性。添加声屏障屏体模型后就可形成完整的声屏障结构强度校核模型，避免因假设所带来的计算误差。
3. 添加基座模型及地脚螺栓等设置。声屏障设计中包含屏障与基座的验算，按照声屏障应用场景，采用实际的基座模型以及必要的连接，完成屏障与基座的设计校核。由此可完善声屏障结构评价体系，形成更加完整的声屏障结构仿真APP。
声屏障结构有限元模型
三、仿真APP赋能千行百业
四、关于伏图
伏图（Simdroid）具备固体力学、流体力学、电动力学、热力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。
