聲屏障，主要用于公路、高速公路、鐵路、高架、橋梁和其它噪聲源的隔聲降噪，是一種重要交通設施。道路工程中應用較廣泛的聲屏障有三種：直立式聲屏障、微弧式聲屏障和折板式聲屏障。

折板式聲屏障

聲屏障主要由支撐結構、吸聲板及連接構件組成。工程上多采用H型立柱作為支撐結構，以確保聲屏障具備良好的結構強度并便于安裝和維護。由于聲屏障迎風面積大，為保其安全可靠，需進行抗風計算。其中，支撐結構風載荷下的強度與穩定性尤為關鍵，已成為聲屏障設計的主要內容和基本要求。根據《聲屏障結構技術標準》(GB/T 51335-2018）和《公路聲屏障 第2部分：總體技術要求》(JT/T 646.2-2016) 的規定，聲屏障結構設計應考慮聲屏障材料本身結構的強度與剛度、支撐結構的強度與穩定性，以及聲屏障連接系統的強度及耐久性。

傳統的聲屏障結構設計主要依賴經驗公式和理論計算，存在估算較為粗略、主體設計保守而關鍵部位設計不足等缺陷。隨著科技的進步，有限元仿真技術的應用使得聲屏障結構計算更加快速、直觀、科學和準確，仿真技術在聲屏障結構形式、材料應用、風載模擬、抗風性能和安全性能分析等方面可以發揮巨大作用。

為了讓您更好地了解仿真APP在聲屏障結構設計中的作用，10月31日，我們為您帶來“基于伏圖的聲屏障結構強度校核仿真APP開發及應用”主題直播，觀看直播回放鏈接：【第28期】基于伏圖的聲屏障結構強度校核仿真APP開發及應用 - Simapps Store - 工業仿真APP商店。

本案例基于云道智造伏圖（Simdroid）平臺的隱式結構分析功能，對直立式、微弧式及折板式三種形式的H型立柱結構進行重力及風壓載荷計算，模擬其在不同風壓下的受力狀態，并對仿真過程進行封裝，形成聲屏障立柱強度校核仿真APP。該APP能夠指導風屏障立柱結構抗風性能設計與校核，對保障聲屏障的安全可靠、提升聲屏障品質具有重要的工程意義和價值。

一、聲屏障立柱強度校核仿真APP開發

1. 聲屏障結構設計要求

根據《聲屏障結構技術標準》規定，聲屏障結構設計的主要計算包括：

1) 荷載的計算與組合：聲屏障結構設計應考慮自重、風荷載、行車脈動以及其他荷載，屏障的設計荷載應根據使用過程中可能同時作用的荷載進行整合，并應按最不利條件進行設計。

2) 立柱的設計與強度計算。

3) 屏障與基座的連接螺栓的設計與強度計算。

因此聲屏障結構有限元模型應包含：至少2個典型形狀尺寸內的立柱、吸聲板及連接構件和基座。而聲屏障結構計算主要是立柱的設計與校核，為簡化模型，本次仿真過程只針對立柱結構進行有限元仿真計算。立柱結構受力分析：重力、風壓及兩邊吸聲板及連接結構對其產生的力和彎矩，如下圖示：

聲屏障立柱受力圖

載荷說明：考慮兩端吸聲板與連接機構影響，重力系數取1.3；根據風速與風壓對應表，風壓取值范圍為(0~2.37kPa,對應最高風速60m/s)，風載荷設計標準值取當地50年重現期的風速值，沿海地區一般30~40m/s (<1kPa)；連接結構和吸聲板因重力和風載荷對立柱所產生的力和彎矩，在本次模擬中以當量表面壓力的形式施加在立柱面上。

2. 仿真分析流程搭建

基于以上聲屏障結構的簡化模型以及載荷狀況，采用伏圖平臺完成聲屏障立柱強度校核的仿真流程：2D草圖>幾何建模>部件屬性>網格剖分>邊界和載荷設置>分析求解>結果后處理。立柱有限元模型采用六面體網格，立柱材料為Q235鋼，基座底板單元六自由度全約束，載荷為重力及風壓組合。下圖為立柱H型截面的草圖建立及參數關聯。

創建草圖及參數關聯

3. 仿真APP開發流程 

完成有限元分析過程后，就可以對仿真分析過程進行封裝，制作仿真APP。仿真APP的開發流程為：

1) 確立仿真模型，即在伏圖平臺完成完整的模型建立求解及后處理過程；

2) 明確使用對象，即在模型中對需要變化的參數進行設置及關聯；

3) APP界面設計及開發；

 – 輸入（參數、幾何等）、輸出（圖形、表格、數據的處理、報告等）

 – 仿真分析計算流程（多個分析、耦合分析等）

4) 調試APP正常運行，并導出APP；

5) 在Simapps網站發布部署APP并投入使用。

值得一提的是，需要預先定義仿真APP中的變化參數，可在預定義中設置結構尺寸、網格尺寸、材料、載荷等一系列必要的參數，然后將其與有限元分析過程中的對象關聯起來，以達到在仿真APP中不同參數的計算結果。預定義參數設置及關聯，可在仿真分析流程中任何環節進行。完成參數關聯后，所定義的參數才會在仿真APP表單的選擇項中。

通過仿真APP，工程師無需具備專業的CAE仿真建模知識，即可完成仿真流程，大大降低了仿真分析的門檻。用戶只需要進行簡單的參數修改并提交計算，就可以實現不同立柱結構的受力分析計算，進而對立柱結構強度進行校核評估。此外，通過對比不同形式的立柱結果，還可選擇出適合的立柱設計方案，并為后續的設計方案優化提供指導。

直立式聲屏障立柱計算仿真APP（立即體驗：直立式聲屏障立柱強度校核 - Simapps Store - 工業仿真APP商店）

微弧式聲屏障立柱計算仿真APP（立即體驗：微弧式聲屏障立柱強度校核 - Simapps Store - 工業仿真APP商店）

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二、聲屏障結構計算仿真APP應用擴展

聲屏障立柱強度校核中僅對聲屏障立柱及基座（底板）結構進行了有限元建模和分析，對于完整的聲屏障結構計算，還需要做以下幾個方面的擴展：

1. 將聲屏障型式作為參數。可以將直立式、微弧式、折板式以及大弧形和封閉式作為選擇項集中在一個APP中。

聲屏障結構計算仿真APP擴展示意

2. 添加聲屏障屏體模型。聲屏障屏體材質有很多種：金屬型、非金屬型（如玻璃/水泥/木材/混凝土/亞克力板等）以及組合型。由于屏體面積較大，其自重及風載荷不可忽略。本次分析中未考慮屏體及立柱的連接關系，僅對屏體因風載對立柱所產生的力與彎矩作了當量假設，對于聲屏障結構受力模擬存在一定局限性。添加聲屏障屏體模型后就可形成完整的聲屏障結構強度校核模型，避免因假設所帶來的計算誤差。

3. 添加基座模型及地腳螺栓等設置。聲屏障設計中包含屏障與基座的驗算，按照聲屏障應用場景，采用實際的基座模型以及必要的連接，完成屏障與基座的設計校核。由此可完善聲屏障結構評價體系，形成更加完整的聲屏障結構仿真APP。

 

聲屏障結構有限元模型

三、仿真APP賦能千行百業

相較于傳統CAE仿真軟件，基于伏圖開發的仿真APP更加靈活易用，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產品研發效率。歡迎訪問工業仿真APP商店Simapps，在線體驗面向各種產品和場景的仿真APP。

四、關于伏圖

伏圖（Simdroid）具備固體力學、流體力學、電動力學、熱力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。申請試用Simdroid