[发明专利]主梁断面气动自激力的全过程数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种主梁断面气动自激力的全过程数值模拟方法，尤其适用于在进行桥梁抖振响应时域分析时模拟主梁断面所受的气动自激力。

背景技术

随着桥梁结构跨径的不断增大，桥梁抖振分析显得越来越重要。抖振响应计算主要有频域和时域两类分析方法。早期国内外桥梁抖振分析主要在频域内进行，但由于频域方法在分析过程中只能计入一定数量的模态，得出的是结构响应值的统计特征，且只能进行线性分析，并不能够很好地应用于大跨度斜拉桥、悬索桥等非线性结构体系。

建立在数值积分基础上的大跨度桥梁抖振响应时域分析方法将激励转化为时间系列，通过动力有限元方法得到结构抖振响应的时程，可以非常方便地计入各类非线性因素的影响。由于考虑因素比较全面，时域分析方法是抖振计算的发展方向。但抖振响应时域分析计算量非常大，而且在三维随机脉动风场的模拟以及自激力的时域化离散处理等问题上仍有待进一步研究。

目前许多学者开始借助于现有大型通用有限元软件如ANSYS、ABAQUS、ADINA和MSC/NASTRAN等来进行大跨度桥梁的抖振时域分析，根据基于准定常气动力模型导出的主梁单元的气动刚度和气动阻尼矩阵，将自激力的影响以单元气动阻尼矩阵和单元气动刚度矩阵的形式加以考虑。这种方法充分利用了现有通用有限元分析软件强大的非线性时域分析功能，但其中存在两个主要问题：

(1)由于现有通用有限元软件不一定有专门的气动自激力单元，抖振分析时通常采用其它具有类似特性的矩阵单元来代替以进行自激力的模拟，导致计算工作量增加、出错概率加大、结果精度下降以及使用不方便等；

(2)主梁单元的气动刚度和气动阻尼矩阵中通常采用风洞试验中所得气动导数作为参数，不仅试验过程复杂，且花费较大、造成模型材料的浪费，现有计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术在识别气动导数领域的最新研究成果没有得到充分应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是创建了一种用于主梁断面主梁断面气动自激力的全过程数值模拟方法，包括发明了一种专用于主梁断面气动自激力模拟的单元，并将其命名为Aero-dyn18单元，同时在确定单元参数时利用CFD技术在识别气动导数的最新研究成果，实现了气动自激力数值模拟全过程的自动化和时域化，方便快捷地完成考虑气动自激力影响的大跨度桥梁抖振响应时域分析。

技术方案：针对上述问题，本发明开发了一种专用于大跨度桥梁主梁断面气动自激力模拟的矩阵单元，准确便捷地实现了气动自激力的时域化。单元形式简单、各参数物理意义简单明了，便于在广大桥梁风工程技术人员中推广应用。为了实现气动自激力的时域化，根据基于准定常气动力模型和非线性动力学理论导出的与主梁所受气动自激力等价的单元气动刚度矩阵和气动阻尼矩阵，开发出了一种专用于气动自激力模拟的Aero-dyn18单元，并给出了单元的示意图、单元矩阵构造参数及其意义。解决上述问题所采用的技术方案流程如下：

第一步：根据结构设计图纸，采用可编程参数化设计语言建立大跨度桥梁的有限元计算初始模型；

第二步：基于计算流体力学技术识别出大跨度桥梁主梁断面的气动导数，并将其以可调用数组方式进行存储；

第三步：根据用于抖振分析的风速数据以及识别出的气动导数来确定所创建的气动自激力单元——Aero-dyn18单元中的参数；

第四步：将已确定参数的Aero-dyn18单元添加到第一步所得有限元计算初始模型中，获得已计入气动自激力的有限元计算模型；

第五步：在已计入气动自激力的有限元计算模型上添加静力风荷载及抖振力时程，进行抖振响应非线性时程分析。

第三步所述的气动自激力单元——Aero-dyn18单元可以通过输入9个实常数的方式来确定刚度矩阵K和阻尼矩阵C，以模拟主梁断面的气动刚度和气动阻尼矩阵；该单元具有两个节点，每个节点有6个自由度；Aero-dyn18单元没有固定的几何形状，在两节点i和j之间可任意变换外形；不对称情况下，Aero-dyn18单元矩阵为12×12矩阵，共有9个不同的系数：