桥梁风致颤振分析以及在ANSYS中的实现

论文

第21卷 第4期 重 庆 交 通 学 院 学 报

2002年12月桥梁风致颤振分析以及在ANSYS中的实现

华旭刚,

陈政清,

祝志文

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)

摘要:首先简要介绍了桥梁风致颤振分析的多模态参与单参数搜索M S法的基本理论以及ANSYS二次开发的几种方法,然后以VisualFortran为二次开发平台,运用M S法编写了在ANSYS中实现大跨度桥梁风致颤振分析的计算程序和相应的界面菜单程序.最后通过算例展示了在ANSYS中进行颤振分析的整个过程,其计算结果与大跨度桥梁空间静、动力分析程序NACS和风洞试验数据基本一致,说明了计算程序的可靠性.关 键 词:大跨度桥梁;风致颤振;ANSYS二次开发

中图分类号:TU328 3;U442 5+5 文献标识码:A 文章编号:1001 716X(2002)04 0012 04

从20世纪70年代以来,随着计算技术的飞速发展,结构分析有了很大的突破,国外相继出现了许多大型通用有限元分析程序,如ANSYS、ABAQUS、MARC和MSC/NASTRAN等,这些程序具有良好的界面、方便的前后处理和强大的计算分析功能以及开放的二次开发系统.同其它CAE软件一样,ANSYS具有完备的前后处理系统,并且与其它大部分CAD/CAE软件都具有专用的数据接口;具有丰富的单元类型、强大的计算分析功能以及开放的二次开发系统,在土木工程中具有广泛的应用前景.

ANSYS作为大型通用有限元分析软件,无法涉及结构分析的各个方面,如桥梁结构的抗风问题.众所周知,随着桥梁跨径的日益增大,抗风问题尤为突出,其中桥梁颤振临界风速经常成为大跨度桥梁设计的控制因素,使大跨度桥梁的颤振分析成为桥梁设计的重要内容.笔者以VisualFortran作为二次开发平台,实现了在ANSYS中实现大跨度桥梁的风致颤振分析,ANSYS结构用户可以直接在ANSYS下进行大跨度桥梁颤振临界风速的分析.文末的算例表明了计算程序的可靠性.

和气动扭矩M可以表示为竖向位移h、扭转位移 的函数:

L=1/2 U2(2B)!

*2*

[KH*/U+K2H*1h/U+KH2B 3 +KH4h/B](2a)

M=1/2 U(2B)!

*2*[KA*/U+K2A*1h/U+KA2B 3 +KA4h/B](2b)

22

式中: 空气密度;U 平均风速;K 无量纲

*

频率;! 振动圆频率;B 桥面宽度;Ai,H*i 颤振导数,是无量纲频率K的函数.式(2)表示的是桥面单位长度上的受到的气动力,将这些分布荷载转化为作用于单元两个节点的集中荷载.作用于单元e上的等效自激力可表示为:

Fse=!A +!B e/!

2ee

2

e

(3)

依据有限元分析原理,将沿主梁分布的自激力{F}表示为节点位移的表达式,并对全桥主梁单元循环,即可得到全桥气动力矩阵

F=!A +!B /!(4)

式中[A],[B]为全桥气动力矩阵.

从结构的固有振型中选取m个振型 ,可将自由度 表示为:

= X(5)

其中X={x1,x2,#,xm}为m个振型的广义坐标.

设结构在颤振临界状态下振型的广义坐标为

X=Xei!t(6)

将(2),(3),(4),(5)代入(1),并利用振型的

2

2

1 多模态参与单参数全域自动搜索M S法

桥梁结构在气流中的运动方程为:

M +C +K =Fse

(1)

式中:Fse为自激力荷载向量,按Scanlan气动力表

达式[5],桥面主梁单位长度上受到的气动升力L

收稿日期:2001 12 11;修订日期:2002 03 16

基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(59895410)

:(),男,,,.

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第4期 华旭刚,等:桥梁风致颤振分析以及在ANSYS中的实现正交性,可得到:

#X=!2[(1+A)+i(B-)]X

令M=[(1+A)+i(B-]

2

=!,式(6)可表示为:

(7)

13

#X= MX(8)式(8)是一个m阶复特征值问题,如果在某一无量纲风速U=U/(fB)下,使得特征方程的m个复特征值中有一个 i的虚部为零,由式(5)可知结构在气动荷载作用下处于自激振动状态,颤振即将发生,这个虚部为零的特征值 i即是颤振临界状态特征值 f,与 f对应的一对共轭特征向量确定了振型参与颤振的状态.由 f与对应的无量纲风速Uf可解出此时的颤振临界风速Uf和颤振频率!f:

!f=

f

(9)

Uf=Uf!fB/(2%)

以上过程需要对无量纲风速的一定范围进行搜索求解,当引入了多个振型后,结构可能有多个颤振形态,同时考虑结构阻尼还需要对颤振频率!进行迭代求解,求解方法详见文[2].

2 ANSYS中颤振分析的实现过程简介

2 1 ANSYS二次开发简介

ANSYS作为大型通用有限元分析程序,在桥

梁工程中具有广泛的应用前景,具有强大的计算功能.值得指出的是ANSYS程序具有开放的二次开发系统,使得用户可以定制ANSYS程序的界面、单元开发和扩充ANSYS的计算功能.近期ANSYS公司推出的ANSYS/CivelFEM土木工程专用软件包就是西班牙的土木工程技术人员基于二次开发功能和相应的规范而开发的专用软件包.ANSYS中提供了以下几种方法来定制适合自己的ANSYS版本:

1 参数化设计语言APDL(ANSYSParametricDesignLanguage),它是一种解释性语言,可以用来完成一些通用性很强的任务.APDL类似于FORTRAN语言可以包含DO循环、IF ENDIF分支,向量及矩阵的操作等.宏(MACRO)可以认为是一种特殊的APDL语言.用APDL语言,可以实现风致静力失稳临界风速的计算.

2 用户可编程特性(UPFS)(UserProgrammableFeatures)是ANSYS给予用户最大主动权的开发工具,用户可以开发适合自己的单元、用户命令、定义用户准则和开发ANSYS新的计算功能等.该项开发要求用户对FORTRAN和ANSYS均非常熟悉.本文的颤振分析核心程序正是基于UPFS功能开发而成.

3 用户界面设计语言UIDL(UserInterfaceDesignLanguage)使得用户可以定制适合自己的ANSYS界面,用户可以通过UIDL过滤掉一些不用的菜单,它起着用户程序和ANSYS之间的桥梁作用.本文颤振分析的菜单程序是用UIDL

写成的.

图1 颤振分析流程以及与ANSYS的数据交换图

2 2 桥梁颤振分析的开发过程简介

1 完成模态分析后,从ANSYS的结果文件[3]中读取参与颤振分析的振型和频率基本数据,并根据输入的实常数号自动识别参与颤振分析的桥面单元.求解完成后,将计算结果写入结果文件,这样的/.1为整个计算的流程图.

2 采用UIDL语言[4]在ANSYS中加入颤振分析菜单,并用对话框输入颤振分析基本数据,程序自动将从对话框输入的数据写入数据文件,供颤振分析用.为使用方便,本文直接将颤振分析菜单加在主菜单中.图2为颤振分析的菜单图.

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图2 颤振分析菜单图

3 算 例

笔者以虎门悬索桥成桥状态为例来说明ANSYS中实现颤振分析的过程.虎门悬索桥是一座主跨为888m的单跨悬索桥,主梁采用轻型钢箱梁,桥面宽35 6m.用梁、杆和质量单元离散模型,模型中共有642个节点、736个单元,见图3.首先用ANSYS程序计算出前30阶振型,经比较,主要振型与同济大学风洞实验室和我们用NACS计算结果

项 目ANSYS同济风洞室NACS

一阶反对称竖弯

0 1140 1120 117

一致,见表1,然后从中挑选出含有主梁竖向振动和扭转振动分量的14个振型进行全桥的三维颤振分析,这样可以从多个可能的颤振形态中选出颤振临界风速最低的危险颤振形态.

[5]

在颤振分析时,采用理想平板颤振导数和虎门桥节段模型O攻角时的风洞实测颤振导数 …… 此处隐藏：4108字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……