橋梁為什么會(huì)發(fā)抖？
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懸索橋以高強(qiáng)度懸索為主要承重構(gòu)件，具有跨越能力大、受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。但因其跨度一般較大，結(jié)構(gòu)偏柔，對(duì)風(fēng)的作用更加敏感，風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)中往往起控制作用。歷史上最著名的懸索橋因風(fēng)振而破壞的案例要數(shù)塔科馬海峽大橋了。該橋1940年7月通車(chē)四個(gè)月后，就在18m/s的風(fēng)速下扭曲振動(dòng)而破壞。后續(xù)的調(diào)查分析顯示，卡門(mén)渦街是造成這次事故的根本原因。
流體繞過(guò)物體時(shí)，在物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對(duì)稱(chēng)渦旋，因著名力學(xué)家馮?卡門(mén)而得名卡門(mén)渦街�？諝饬鬟^(guò)煙囪、高層建筑時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生卡門(mén)渦街。本次事故也引發(fā)了人們對(duì)橋梁、建筑等風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題的廣泛研究。
圖1：卡門(mén)渦街
橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析非常重要，達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA的XFlow和Abaqus在這類(lèi)流體和結(jié)構(gòu)仿真方面都有很多應(yīng)用。
XFlow采用格子玻爾茲曼算法，結(jié)合大渦模擬，高保真的預(yù)測(cè)瞬態(tài)流動(dòng)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于前處理不需要對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)表面復(fù)雜的幾何不再是限制因素，只需設(shè)置網(wǎng)格尺寸，全六面體格子可保證網(wǎng)格質(zhì)量，節(jié)省大量前處理時(shí)間。XFlow模擬真實(shí)的的幾何運(yùn)動(dòng)，獨(dú)特的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化算法能方便的處理運(yùn)動(dòng)幾何體壁面附近、尾渦，交界面等壓力梯度較大的區(qū)域。
橋梁的最終破壞往往是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振幅過(guò)大。Abaqus提供線(xiàn)性、非線(xiàn)性多種算法可以計(jì)算橋梁的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)：
另外，XFlow和Abaqus擁有良好的接口，可以進(jìn)行聯(lián)合仿真：XFlow計(jì)算流場(chǎng)，將渦流載荷傳遞給Abaqus，Abaqus計(jì)算得到橋梁在風(fēng)振下的結(jié)構(gòu)變形，隨后返回給XFlow，如此循環(huán)……流場(chǎng)無(wú)需網(wǎng)格劃分，流固耦合計(jì)算具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)這樣實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，使真實(shí)再現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程成為可能。
懸索橋是目前跨度最大的橋梁結(jié)構(gòu)形式，跨度從幾百米到上千米。懸索橋跨度的大幅度增加帶來(lái)的主要問(wèn)題是結(jié)構(gòu)剛度的顯著下降，這使得風(fēng)致振動(dòng)成為結(jié)構(gòu)安全性的主要因素，其中橋梁顫振穩(wěn)定性是影響風(fēng)振性能的關(guān)鍵因素。
圖2：日本明石海峽大橋
日本明石海峽大橋是世界上最大跨徑的懸索橋，主跨度1991m，風(fēng)致穩(wěn)定性分析非常重要，分析涉及高度非線(xiàn)性。Abaqus被用來(lái)進(jìn)行該橋的側(cè)向扭振屈曲分析。（該分析來(lái)源于SIMULIA全球年會(huì)論文，由橫濱國(guó)立大學(xué)Ishihara等人完成）
分析中索塔采用B31H單元，主索和吊索采用T3D2H單元。計(jì)算共有兩個(gè)分析步，第一分析步為自重加載，第二分析步為風(fēng)荷載。風(fēng)荷載數(shù)值隨橋面的扭轉(zhuǎn)而變化，數(shù)值關(guān)系由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。
圖3：日本明石海峽大橋有限元模型
采用Abaqus/Standard求解，風(fēng)荷載作用下的橋面轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)如下圖所示，橋面扭轉(zhuǎn)角并沒(méi)有隨風(fēng)速增加而出現(xiàn)突然增加，表明該橋未發(fā)生側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲。
圖4：橋面扭轉(zhuǎn)角結(jié)果
大跨度橋梁的風(fēng)振不僅影響行車(chē)的舒適性，甚至?xí)l(fā)整個(gè)橋梁的破壞，數(shù)值仿真是研究此類(lèi)問(wèn)題的重要手段。在達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE體驗(yàn)平臺(tái)上，不僅在橋梁仿真領(lǐng)域，借助SIMULIA能夠涵蓋從成橋狀態(tài)、各類(lèi)靜動(dòng)力特性、車(chē)橋耦合振動(dòng)、穩(wěn)定性等整體分析，到局部細(xì)節(jié)模型計(jì)算；而且在三維設(shè)計(jì)階段，借助CATIA能夠完成特大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁和常規(guī)橋梁在不同設(shè)計(jì)階段、不同LOD等級(jí)和精細(xì)程度的三維模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在平臺(tái)內(nèi)無(wú)損傳遞，實(shí)現(xiàn)CAD模型數(shù)據(jù)與CAE仿真分析一體化。
圖5：CATIA參數(shù)化三維設(shè)計(jì)
圖6：臺(tái)灣淡江大橋
圖7：三維模型CAD to 仿真分析CAE
達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus是一款功能強(qiáng)大的工程仿真模擬軟件，其計(jì)算專(zhuān)長(zhǎng)覆蓋從簡(jiǎn)單的線(xiàn)性分析到復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題。與此同時(shí)，Abaqus擁有豐富的單元庫(kù)和材料模型庫(kù)，可以模擬典型工程材料在特殊工況下的材料性能，如鋼材抗疲勞能力、混凝土受壓能力、建筑物抗震性能等。作為通用仿真分析軟件，Abaqus除了解決大量結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變問(wèn)題，還可以應(yīng)用于解決其他工程領(lǐng)域問(wèn)題，如熱力耦合分析、聲場(chǎng)分析、邊坡穩(wěn)定性分析、儲(chǔ)液罐罐壁變形分析等。
SIMULIA Abaqus 2022x最新版本，其中最新變化面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)用戶(hù)覆蓋6大專(zhuān)題、31條重要功能增強(qiáng)。
Abaqus R2022x主要特點(diǎn)
1.Abaqus/CAE的功能增強(qiáng)
主要體現(xiàn)在網(wǎng)格&幾何、Query查詢(xún)、建模、材質(zhì)、接觸及其屬性、作業(yè)與優(yōu)化、窗口可視化等方面。
2.Abaqus非線(xiàn)性力學(xué)的功能增強(qiáng)
在2022x版中覆蓋變化較多，包括全剛度耦合的通用截面Beam單元、Connector塑性、伴隨設(shè)計(jì)靈敏性、多工況分析中溫度加載、斷裂與疲勞等功能增強(qiáng)。
3.線(xiàn)性分析的功能增強(qiáng)
其中，線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的功能增強(qiáng)體現(xiàn)在模態(tài)分析中增加了Connector單元的輸出，提高了響應(yīng)譜分析性能，并加強(qiáng)了隨機(jī)響應(yīng)分析；線(xiàn)性方程及迭代求解器的功能增強(qiáng)體現(xiàn)在使用AWS解決大規(guī)模的特征問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)AWS特征求解器的GPU加速和迭代求解器的功能增強(qiáng)。
4.子結(jié)構(gòu)的功能增強(qiáng)
這個(gè)版本對(duì)子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)功能進(jìn)行了重大的重新設(shè)計(jì)；此外，使用直接穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和子結(jié)構(gòu)生成分析的組合定義基于頻率的子結(jié)構(gòu)。
5.接觸和約束的功能增強(qiáng)
Abaqus/ Standard和Abaqus/ Explicit中的部分功能解決了之前版本的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和易用性問(wèn)題。同時(shí)，引用了一些新的方法以提升仿真性能。
6.Abaqus/Explicit的技術(shù)和性能功能增強(qiáng)
主要涉及Co-simulation和Hybrid Message Parallelism (HMP)并行功能增強(qiáng)。
CATIA是全球出色的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與體驗(yàn)解決方案。過(guò)去幾十年中，達(dá)索系統(tǒng)旗下品牌產(chǎn)品CATIA被各個(gè)行業(yè)廣泛采用，覆蓋了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷�，包括飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、建筑乃至飲料瓶等。在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，伴隨“數(shù)字孿生”概念的興起，三維協(xié)同設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模的呼聲越來(lái)越高，新技術(shù)、新范式也逐步改變了項(xiàng)目所有利益相關(guān)方看待“模型”的思維。人們開(kāi)始希望實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)二維圖檔交付到全三維數(shù)據(jù)交付的轉(zhuǎn)變。
CATIA 2022x最新版本，其中最新變化面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)用戶(hù)主要涉及地形設(shè)計(jì)、線(xiàn)路設(shè)計(jì)、鋼筋設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、數(shù)據(jù)接口等方面。
CATIAR2022x主要特點(diǎn)
2.1設(shè)置坐標(biāo)系
在設(shè)置坐標(biāo)系時(shí)，可以借助助手調(diào)整坐標(biāo)系；同時(shí)，支持創(chuàng)建復(fù)合地理坐標(biāo)系，并調(diào)整平面和高程的坐標(biāo)參數(shù)；此外，可以通過(guò)查看器查詢(xún)相應(yīng)坐標(biāo)系參數(shù)。
2.2地形設(shè)計(jì)
圍繞著大點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)增強(qiáng)，各專(zhuān)業(yè)可以依據(jù)線(xiàn)路為總體，在大點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取沿線(xiàn)各自設(shè)計(jì)的地形范圍，將該范圍地形自動(dòng)提取轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)行運(yùn)算的三維地形面；
地形與既有構(gòu)筑物（如建筑物、地形、涵洞等），可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要，以相交或輪廓的形式，直觀(guān)展現(xiàn)在縱斷面中；
支持多種圖片格式。同時(shí)，用戶(hù)可以設(shè)置圖片顯示的質(zhì)量，選擇是否加載貼圖，增強(qiáng)地形貼圖顯示精度。
2.3路線(xiàn)設(shè)計(jì)
支持多視窗聯(lián)動(dòng)模式，包括平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)；
對(duì)于基本線(xiàn)元里程碑，支持多種緩和曲線(xiàn)線(xiàn)型，包括回旋線(xiàn)、三次拋物線(xiàn)、余弦線(xiàn)、正弦線(xiàn)、Bloss型；
對(duì)于交點(diǎn)法設(shè)計(jì)里程碑，支持更多的平曲線(xiàn)組合形式，包括S型、卵型、回頭曲線(xiàn)、交點(diǎn)拆分/合并；而在縱斷面組合形式，也支持了基本型；
根據(jù)用戶(hù)需要，自定義線(xiàn)路關(guān)鍵信息的顯示，更加貼合專(zhuān)業(yè)需求的顯示關(guān)鍵設(shè)計(jì)信息；
支持全線(xiàn)交互漫游，在線(xiàn)路或整個(gè)項(xiàng)目完成之后，可以一鍵進(jìn)行交互漫游，實(shí)時(shí)切換不同視角、切換不同車(chē)道、調(diào)整車(chē)輛速度，同時(shí)還可對(duì)停車(chē)視距等相關(guān)線(xiàn)路指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查。
2.4道路設(shè)計(jì)
全新專(zhuān)業(yè)的橫斷面設(shè)計(jì)創(chuàng)建工具，更加便捷的設(shè)計(jì)橫斷面各個(gè)構(gòu)件（邊坡、路基層、排水結(jié)構(gòu)），用戶(hù)可針對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)景，按構(gòu)件組裝裝配整體橫斷面模板，并且為每個(gè)構(gòu)件單獨(dú)設(shè)置觸發(fā)規(guī)則，比如：填方時(shí)，設(shè)置排水溝以及硬路肩石。
新的橫斷面模板將作為專(zhuān)門(mén)的特征在結(jié)構(gòu)樹(shù)上進(jìn)行組織與管理，用戶(hù)可直接在結(jié)構(gòu)樹(shù)上調(diào)取進(jìn)行三維路基的實(shí)例化使用。
支持多個(gè)道路連接合并，如僅路基層合并和僅土方合并。
2.5全新的土木結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)APP
針對(duì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)（鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)），為土木工程師以及建筑設(shè)計(jì)工程師角色，設(shè)計(jì)了新的APP，即Civil Structures Engineering。后續(xù)會(huì)將傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊SDD、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模塊SCD、緊固件設(shè)計(jì)模塊FST以及鋼筋設(shè)計(jì)模塊統(tǒng)一納入。
2.6建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
主要體現(xiàn)在了型材庫(kù)的創(chuàng)建，以及BDS到SDD轉(zhuǎn)換。
2.7鋼筋設(shè)計(jì)
全新設(shè)計(jì)的鋼筋用戶(hù)界面，更加貼近用戶(hù)的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。新增了平行鋼筋的創(chuàng)建，支持任意截面切分鋼筋，以及鋼筋的交錯(cuò)搭接。支持封裝針對(duì)構(gòu)件（如：橋墩、樁基等）的鋼筋模板，并且箍筋隨主筋變化而更新。
同時(shí)，鋼筋彎折標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)嵌至平臺(tái)，為設(shè)計(jì)至施工的銜接奠定基礎(chǔ)。
2.8橋梁助手
在新版本中支持三維布跨輸入跨徑組合、參數(shù)Excel表驅(qū)動(dòng)孔跨布置、參數(shù)Excel表驅(qū)動(dòng)橋梁參數(shù)、孔位標(biāo)記和缺乏輸入提醒。
2.9通用基礎(chǔ)功能
在標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)計(jì)中，參數(shù)化文字、標(biāo)志設(shè)計(jì)功能得到了增強(qiáng)；
支持Excel表格關(guān)聯(lián)創(chuàng)建軸系陣列，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軸系位置的變化�？梢酝ㄟ^(guò)坐標(biāo)點(diǎn)、樁號(hào)點(diǎn)、任意點(diǎn)等方式創(chuàng)建表格，表格內(nèi)容可再次編輯，三維數(shù)據(jù)同步更新。
2.10數(shù)字城市
支持CATIA與3DEXPERIENCity平臺(tái)的數(shù)據(jù)銜接。
2.11數(shù)據(jù)接口
支持多種數(shù)據(jù)傳遞（如LandXML）以及IFC屬性（如IFC Rail、IFC Rebars、IFC for Design）的擴(kuò)展。