技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種主梁斷面氣動自激力的全過程數(shù)值模擬方法，尤其適用于在進(jìn)行橋梁抖振響應(yīng)時域分析時模擬主梁斷面所受的氣動自激力。
背景技術(shù)
隨著橋梁結(jié)構(gòu)跨徑的不斷增大，橋梁抖振分析顯得越來越重要。抖振響應(yīng)計算主要有頻域和時域兩類分析方法。早期國內(nèi)外橋梁抖振分析主要在頻域內(nèi)進(jìn)行，但由于頻域方法在分析過程中只能計入一定數(shù)量的模態(tài)，得出的是結(jié)構(gòu)響應(yīng)值的統(tǒng)計特征，且只能進(jìn)行線性分析，并不能夠很好地應(yīng)用于大跨度斜拉橋、懸索橋等非線性結(jié)構(gòu)體系。
建立在數(shù)值積分基礎(chǔ)上的大跨度橋梁抖振響應(yīng)時域分析方法將激勵轉(zhuǎn)化為時間系列，通過動力有限元方法得到結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)的時程，可以非常方便地計入各類非線性因素的影響。由于考慮因素比較全面，時域分析方法是抖振計算的發(fā)展方向。但抖振響應(yīng)時域分析計算量非常大，而且在三維隨機(jī)脈動風(fēng)場的模擬以及自激力的時域化離散處理等問題上仍有待進(jìn)一步研究。
目前許多學(xué)者開始借助于現(xiàn)有大型通用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS、ADINA和MSC/NASTRAN等來進(jìn)行大跨度橋梁的抖振時域分析，根據(jù)基于準(zhǔn)定常氣動力模型導(dǎo)出的主梁單元的氣動剛度和氣動阻尼矩陣，將自激力的影響以單元?dú)鈩幼枘峋仃嚭蛦卧獨(dú)鈩觿偠染仃嚨男问郊右钥紤]。這種方法充分利用了現(xiàn)有通用有限元分析軟件強(qiáng)大的非線性時域分析功能，但其中存在兩個主要問題：
(1)由于現(xiàn)有通用有限元軟件不一定有專門的氣動自激力單元，抖振分析時通常采用其它具有類似特性的矩陣單元來代替以進(jìn)行自激力的模擬，導(dǎo)致計算工作量增加、出錯概率加大、結(jié)果精度下降以及使用不方便等；
(2)主梁單元的氣動剛度和氣動阻尼矩陣中通常采用風(fēng)洞試驗(yàn)中所得氣動導(dǎo)數(shù)作為參數(shù)，不僅試驗(yàn)過程復(fù)雜，且花費(fèi)較大、造成模型材料的浪費(fèi)，現(xiàn)有計算流體力學(xué)(Computational?Fluid?Dynamics，CFD)技術(shù)在識別氣動導(dǎo)數(shù)領(lǐng)域的最新研究成果沒有得到充分應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是創(chuàng)建了一種用于主梁斷面主梁斷面氣動自激力的全過程數(shù)值模擬方法，包括發(fā)明了一種專用于主梁斷面氣動自激力模擬的單元，并將其命名為Aero-dyn18單元，同時在確定單元參數(shù)時利用CFD技術(shù)在識別氣動導(dǎo)數(shù)的最新研究成果，實(shí)現(xiàn)了氣動自激力數(shù)值模擬全過程的自動化和時域化，方便快捷地完成考慮氣動自激力影響的大跨度橋梁抖振響應(yīng)時域分析。
技術(shù)方案：針對上述問題，本發(fā)明開發(fā)了一種專用于大跨度橋梁主梁斷面氣動自激力模擬的矩陣單元，準(zhǔn)確便捷地實(shí)現(xiàn)了氣動自激力的時域化。單元形式簡單、各參數(shù)物理意義簡單明了，便于在廣大橋梁風(fēng)工程技術(shù)人員中推廣應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)氣動自激力的時域化，根據(jù)基于準(zhǔn)定常氣動力模型和非線性動力學(xué)理論導(dǎo)出的與主梁所受氣動自激力等價的單元?dú)鈩觿偠染仃嚭蜌鈩幼枘峋仃嚕_發(fā)出了一種專用于氣動自激力模擬的Aero-dyn18單元，并給出了單元的示意圖、單元矩陣構(gòu)造參數(shù)及其意義。解決上述問題所采用的技術(shù)方案流程如下：
第一步：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，采用可編程參數(shù)化設(shè)計語言建立大跨度橋梁的有限元計算初始模型；
第二步：基于計算流體力學(xué)技術(shù)識別出大跨度橋梁主梁斷面的氣動導(dǎo)數(shù)，并將其以可調(diào)用數(shù)組方式進(jìn)行存儲；
第三步：根據(jù)用于抖振分析的風(fēng)速數(shù)據(jù)以及識別出的氣動導(dǎo)數(shù)來確定所創(chuàng)建的氣動自激力單元——Aero-dyn18單元中的參數(shù)；
第四步：將已確定參數(shù)的Aero-dyn18單元添加到第一步所得有限元計算初始模型中，獲得已計入氣動自激力的有限元計算模型；
第五步：在已計入氣動自激力的有限元計算模型上添加靜力風(fēng)荷載及抖振力時程，進(jìn)行抖振響應(yīng)非線性時程分析。
第三步所述的氣動自激力單元——Aero-dyn18單元可以通過輸入9個實(shí)常數(shù)的方式來確定剛度矩陣K和阻尼矩陣C，以模擬主梁斷面的氣動剛度和氣動阻尼矩陣；該單元具有兩個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度；Aero-dyn18單元沒有固定的幾何形狀，在兩節(jié)點(diǎn)i和j之間可任意變換外形；不對稱情況下，Aero-dyn18單元矩陣為12×12矩陣，共有9個不同的系數(shù)：
