混凝土的结构强度和稳定性受多个参数的影响，因此能够有效测量参数状态的方法至关重要。通过在混凝土结构中嵌入传感器可以评估混凝土的性能。为了精确地模拟这些系统，需要考虑混凝土中的复杂现象并分析它们对传感器性能的影响。借助于 COMSOL Multiphysics®软件的灵活性，意大利 STMicroelectronics 的一个研究团队成功地对混凝土中的复杂现象进行了模拟。他们的研究为设计更可靠的混凝土监测传感器提供了帮助。
混凝土：历代使用的材料
多年来，胡佛水坝和万神殿等地标吸引了无数的游客。尽管这些结构因其历史悠久而闻名，但它们还有其他共同点：都是使用混凝土建造的。
混凝土被用来建造一些世界上最著名的地标，包括胡佛水坝和万神殿。左：图片来自Mobilus，Mobili。获CC BY-SA 2.0许可，通过Flickr Creative Commons共享。右：图片来自Roberta Dragan，获CC BY-SA 2.5许可，通过Wikimedia Commons共享。
混凝土是世界上使用最广泛的人造材料，并且是许多现代建筑和结构的基础。近年来，在混凝土结构中嵌入传感器以测量其状态已经是大势所趋。这为监测温度、湿度和压力等重要参数对材料强度和稳定性的影响提供了一种有效的方法。
为了设计出可靠的传感器，工程师必须了解混凝土的特性及其对传感器性能的影响。但是由于其独特的性能，分析混凝土可能相当复杂。例如，由于混凝土是黏弹性的，因此在被施加恒定载荷时会产生瞬态应变增加。当混凝土长期受力时，这种被称为黏弹性蠕变的效应尤其显著。即使在温度稳定的情况下，混凝土结构也会发生体积变化。在没有环境热交换的情况下，这种现象被称为收缩。
混凝土的独特性能使其成为一种复杂的研究材料。图片由 Les Chatfield 提供。在CC BY 2.0下获得许可，通过Flickr Creative Commons共享。
借助 COMSOL Multiphysics 软件的灵活性，来自意大利 STMicroelectronics 的研究团队成功地对混凝土中的复杂现象进行了模拟，并预测了其对嵌入式传感器设计性能的影响。本文展示了一个精通传感器应用、设计及其优化的技术团队使用 COMSOL Multiphysics 软件研究直接影响混凝土应用的现象-混凝土的变形。
模拟混凝土中的复杂现象
研究人员首先开始研究混凝土的黏弹性。为了真实地描述混凝土的黏弹性，该团队在 COMSOL Multiphysics 软件中运行了自己开发的开尔文链模型，并求解了八个开尔文分支中每个分支的应变。
为了验证该模型，研究人员使用了一个简单系统的理论模型，该系统具有单轴压力下的混凝土圆柱体。圆柱体的高度和直径均为 7cm，抗压强度为 48MPa。该分析假设环境由 50％ 的相对湿度组成。
研究人员在 COMSOL Multiphysics 的同一系统中建立了一个模型，将其蠕变的仿真结果与理论模型中观察到的趋势进行了比较。如下所述，两者完全吻合。
蠕变实验结果的比较。在仿真研究中施加了 1MPa 的恒定载荷。图片由 A. A. Pomarico、G. Roselli 和 D. Caltabiano 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑COMSOL 用户年会的论文。
然后，该团队转向研究模拟瞬态的混凝土收缩率，包括使用基于热现象的策略。他们通过方程计算出收缩率曲线后，将一个统一的温度系数应用于混凝土材料。对于理论模型，使用与计算出的收缩率一致的温度曲线，由此产生的热应变旨在模仿实际的收缩率。
该小组使用蠕变测试中的相同基准模型计算出了收缩应变。和以前一样，两组结果显示出完美的一致性。
收缩应变结果的比较。在仿真研究中，时间范围约为 1500 天。图片由 A. A. Pomarico、G. Roselli 和 D. Caltabiano 提供，摘自他们在 2016 慕尼黑 COMSOL 用户年会的论文。
评估混凝土现象对传感器性能的影响
在验证了用于分析黏弹性蠕变和收缩的 COMSOL Multiphysics 模型后，研究人员试图解决更复杂的情况————将一个硅传感器嵌入混凝土中。尽管混凝土的蠕变和收缩会影响所有类型的传感器，但分析它们的影响对压力传感器尤为重要。
为了表示用于测量压力的简化传感器结构，研究人员使用了高度为 600μm，直径为 2mm 的圆柱形传感器。膜（配置的传感部分）的厚度为 10μm，半径为 700μm，内部空腔深度为 50μm。在圆柱体的顶部，施加 10MPa 的恒定载荷。
传感器模型的几何结构（a）和传感器的轴向位移的放大图（b）。图片由 A. A. Pomarico、G. Roselli 和 D. Caltabiano 提供，摘自他们在 2016 慕尼黑 COMSOL 用户年会的论文。
最初，在只应用蠕变方程的情况下，随着时间的推移，蠕变会极大地影响膜的位移。在膜的中心和靠近膜边缘之一时，其影响尤为显著。
薄膜中心处及其边缘之一附近的垂直位移的差值。图片由 A. A. Pomarico、G. Roselli 和 D. Caltabiano 提供，摘自他们在 2016 慕尼黑 COMSOL 用户年会的论文。
接下来，评估蠕变引起的变化与膜内部应力之间的潜在关系。结果表明，应力确实会随着时间而增加。下面示例图中的径向应力分布验证了这一点。
时间跨度开始（a）和结束（b）时，传感器上的径向应力分布。图片由 A. A. Pomarico、G. Roselli 和 D. Caltabiano 提供，摘自他们在 2016 慕尼黑 COMSOL 用户年会的论文。
下图提供了更多详细信息，显示了分析开始和结束时沿膜片半径的径向和角向应力分量。由于蠕变效应，这些分量会随时间变化。假设已经在膜上制作了应力感应压阻元件，那么可能会观察到瞬态蠕变引起的变化对传感器性能的影响。这里需要提醒的是，压阻元件的位置会影响这些结果。
沿半径方向的径向应力（a）和角向应力（b）。图片由 A. A. Pomarico、G. Roselli 和 D. Caltabiano 提供，摘自他们在 2016 慕尼黑 COMSOL 用户年会的论文。
膜的性能也会受到收缩的影响。当将收缩率添加到以前仅考虑蠕变的模型中时，膜中心附近会发生很小的形变。另一方面，收缩对应力分布有很大的影响。
然后，他们比较了时间范围结束时的两种应力分量分布，其中一种分析包括收缩，而另一种则没有。与仅考虑蠕变时相比，膜上的两个应力分量的分布都会发生变化。因此，可以判定收缩对传感器性能也会有影响。并且，压阻元件的位置会影响结果。注意，收缩效应对角向应力的影响大于对径向应力的影响。
沿半径的径向应力（a）和角向应力（b）的比较–有无收缩。图片由A. A. Pomarico、G. Roselli和D. Caltabiano提供，摘自他们在2016慕尼黑COMSOL用户年会的论文。
有收缩和无收缩情况下，径向压力对照（上）；有收缩和无收缩情况下，角向压力对照。
结果表明，蠕变和收缩是混凝土的两个独特特性，它们会改变传感器膜片内的变形和应力，从而影响传感器的输出，特别是影响在膜片上安装的压阻器的输出电压。这些发现对于设计可靠的监测混凝土状况的压力传感器至关重要。
了解有关传感器性能分析的更多信息
- 阅读完整的 COMSOL 年会会议论文：《混凝土结构中的黏弹性现象的模拟》
- 参见使用 COMSOL Multiphysics 研究压阻式压力传感器的另一个示例：仿真为压阻式压力传感器提供可靠的结果
- 探索仿真在推进其他类型传感器设计中的用途：
评论 (0)