CN109885864B - 一种三维钢桥塔涡激振动计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维钢桥塔涡激振动计算方法，利用动网格技术，实现了三维钢桥塔流固耦合数值模拟的方法。提取顺桥向及横桥向的弯曲振型坐标值；利用Matlab软件进行函数拟合，得到相对应的振型函数；将振型函数输入到Fluent的自定义程序代码UDF中；将流体分析得到速度场及压力场，通过嵌入Fluent的自定义程序代码UDF得到广义力，将广义力代入结构振动方程求解得到广义位移；通过模态坐标转换得到结构的实际响应，利用动网格宏命令来指定网格运动从而更新网格位置，直至收敛后进行下一个时间步的计算。本发明实现了三维钢桥塔的流固耦合数值模拟，并且本发明中的UDF可以实现Fluent的并行计算，大大提高了效率。

Description

一种三维钢桥塔涡激振动计算方法

技术领域

本发明涉及钢桥塔的涡激振动响应，特别是一种三维钢桥塔涡激振动计算方法。

背景技术

我国早期的缆索承重桥梁由于桥塔高度较低，桥塔截面形式比较单一，以及桥塔材料多选用混凝土等因素(具有较高结构阻尼比)，人们往往忽略了涡激共振的影响。随着科学和经济的不断发展，桥梁跨径的一次次飞跃，桥塔的高度也随之增高。从施工方便的角度，混凝土也不再是桥塔采用的唯一材料，轻质、低阻尼比钢材在桥塔中使用越来越广泛。综合上述因素，新时期大跨度缆索承重桥梁施工阶段钢桥塔的涡激振动必将成为施工阶段桥塔风致振动的重要控制指标之一。对于涡激共振，尽管不会导致钢桥塔直接破坏，但它具有发生风速低、频率大的特点，加速钢桥塔局部疲劳损伤，降低行车舒适度甚至危及行车安全，进而造成严重的施工和运营安全隐患。因此，钢桥塔的涡激振动问题无论对于理论研究还是工程实践都具有非常大的研究意义。

目前，大跨度桥梁抗风研究主要集中在颤振和抖振，对钝体结构涡激共振的研究相对较少。廖海黎、李永乐、李伟圣等人通过大缩尺比的气弹模型风洞试验，针对多种典型的桥塔断面形式，考查了桥塔的涡激共振性能。2004年同济大学风洞实验室对西堠门大桥自立状态桥塔涡振性能作了初步研究。丁志斌、赵林、葛耀君通过自立状态桥塔的气动弹性模型风洞试验，对横桥向风荷载作用下易发生顺桥向低风速涡激共振进行了分析。朱乐东、张宏杰等人为确定桥塔的涡振风速锁定区间及涡振振幅，进行了全塔气弹模型试验。张波通过港珠澳大桥江海直达桥钢桥塔风洞试验，对钢桥塔涡激共振进行了研究.施耀华应用有限元软件ANSYS/FLOTRAN，采用CFD方法，在对桥塔进行绕流分析的基础上，对桥塔-气流的相互作用进行了流固耦合的数值模拟分析。徐枫、欧进萍基于动网格技术和滑移网格技术，对二维方柱型结构涡激共振响应进行了数值模拟。Nomura基于任意拉格朗日-欧拉法计算了H型柱体的涡激共振响应。车鑫利用大型结构有限元软件ANSYS对港珠澳大桥钢桥塔以及南京长江三桥桥塔的涡激共振进行了数值模拟。

上述学者做的风洞试验，其实验所付出的人力物力非常大，而且参数调节很不方便。并且流固耦合数值模拟，他们考虑的是二维模型，对于三维变截面模型的模拟并没有深入探究。而本发明中考虑了三维变截面的流固耦合分析，通过Fluent二次开发UDF，实现了钢桥塔三维模型结构壁面的网格质量并不随网格更新而导致网格质量变差，并且弥补了二维模型没有考虑展向所带的诸多缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种三维钢桥塔涡激振动计算方法，实现Fluent并行计算，提高计算效率，节省计算时间。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种三维钢桥塔涡激振动计算方法，包括以下步骤：

1)由ANSYS workbench18.0的Modal模块提取振型坐标值；

2)利用Matlab软件对步骤1)得到的振型坐标值进行函数拟合，得到相对应的振型函数；

3)将振型函数、钢桥塔的结构动力特性输入到Fluent的自定义程序代码UDF中(UDF是本发明里自己写的一套程序，用VC语言编写的，然后将其文件名的后辍名改为.c格式，导入到fluent中即可)；

4)通过UDF得到广义力，并将广义力代入结构振动方程求解得到广义位移；

5)通过模态坐标转换，将步骤4)的广义位移转换为结构的实际振动位移，利用动网格宏命令来指定网格运动(网格运动的位移是模态坐标转换得到的实际振动位移)从而更新网格位置，直至收敛后再进行下一个时间步的计算，每一个迭代时间步收敛后，返回步骤4)，本发明中的UDF会将每次迭代计算的实际振动位移保存下来，进而获取结构振动的时程位移(每一个时间步都对应有一个实际振动位移，即时程位移)。

三维钢桥塔涡激振动计算方法步骤1)的具体实现过程包括：利用三维机械设计软件Solidworks建立三维钢桥塔模型，然后基于ANSYS workbench18.0平台，利用其Modal模块导入钢桥塔模型，通过调试钢桥塔材料信息进行模态分析，使数值模拟中的钢桥塔模态和实桥模态等效，最后提取各阶模态振型下的坐标值。

三维钢桥塔涡激振动计算方法步骤4)的具体实现过程包括：

1)将钢桥塔的各阶振型函数、广义质量、阻尼比、圆频率、结构振动方程输入到Fluent的自定义程序代码UDF；

2)通过UDF将流体分析所得到的风压值转化为振型广义力，最终求解结构振动方程得到振型广义位移。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明基于ANSYS FLUENT18.0平台,以浦仪公路西段跨江大桥的钢桥塔为研究对象，对流场和钢桥塔之间的耦合运动进行了数值模拟，研究钢桥塔在低风速下的涡激共振现象。流场分析通过有限体积法离散求解任意拉格朗日-欧拉描述下的不可压缩N-S方程，结构分析则用有限元法求解结构动力学方程；采用“刚性边界层区域+动网格区域”的思路建立网格，以此来解决钢桥塔结构在振动过程中可能会出现的网格畸变和负体积的问题，采用刚性边界层来保证结构壁面附近的网格质量不随动网格更新而变差。并将求解的结构振动响应通过自定义程序代码UDF嵌入到fluent中，对三维模型钢桥塔结构的涡激振动响应进行了数值模拟。

附图说明

图1为本发明方法原理图；

图1(a)为风洞试验钢桥塔模型动力特性分析图；

图1(b)为数值模拟钢桥塔模型动力特性分析图；

图2(a)为钢桥塔底部断面图；

图2(b)为计算域网格分块及边界条件示意图；

图3为计算域全局网格划分图；

图4为钢桥塔局部网格划分图；

图5为桥塔壁面无量纲距离Yplus值分布图；

图6为涡振位移时程曲线图；

图7为桥塔不同高度处风压云图；

图8为桥塔中心位置纵向截面处风速云图；

图9为桥塔中心位置纵向截面处风压云图。

具体实施方式

本发明以浦仪公路西段跨江大桥为研究背景。该大桥为双塔双索面分离式钢箱梁斜拉桥，跨径布置为50+180+500+180+50＝960m。桥塔为中央独柱形钢塔，塔高为166.0m。塔柱采用切角矩形断面，切角尺寸为0.8×0.8m，底部断面为16.0(横桥向)×9.5(顺桥向)m，横桥侧塔柱竖向外轮廓斜率为10.87：100，塔身通过圆弧段过渡到塔顶，塔顶断面为6.0(横桥向)×6.5(顺桥向)m。其桥塔底部断面图如图2(a)所示。本发明数值模拟中采用风洞试验模型一致的几何尺寸，风洞试验结构模型采用实桥几何缩尺比λL＝1:75。即数值模型钢桥塔尺寸为0.21m×0.12m×2.213m。

为使数值模拟中钢桥塔动力特性与风洞试验保持一致，本发明首先在ANSYSWorkbench18.0平台上利用其Modal模块对钢桥塔进行了模态拟合。通过对桥塔的密度、杨氏弹性模量及泊松比三个变量不断调试，最终模拟出的各阶动力特性与风洞试验保持一致。本发明其钢桥塔动力特性如图1(a)和图1(b)所示，通过模态拟合分析得出钢桥塔的顺桥向频率为2.23Hz。

几何模型建立过程中，首先通过三维机械设计软件Solidworks建立钢桥塔三维数值几何模型，然后用ANSYS Workbench18.0平台的Modal模块对结构部分钢桥塔进行网格划分，通过调试材料参数最终得到我们需要的各阶振型及频率。本发明将Solidworks建立的三维模型导入到ANSYS ICEM CFD进行流体网格划分，计算域大小取11.5m×8m×4.5m。

为保证计算精度，数值模型采用全六面体网格，在结构壁面处进行网格加密，边界层第一层网格高度为0.0001m，高度方向在近地面处网格延伸率为1.05，远离结构壁面网格延伸率取1.15，总网格数为450万。其计算域全局网格划分及钢桥塔局部网格划分如图3核图4所示。壁面网格的精度是一个非常重要的方面，必须在保证足够的网格数量才能捕捉边界层的分离以及尾流旋涡的细微流动特性。本发明在数值模拟过程中，壁面边界层网格划分采用模拟边界层惯用的O型网格进行处理，最大层面上减少流域空间尺寸不均匀而造成的流态变化。计算网格通过了网格无关性及时间步长无关性测试，进一步为了确保壁面无量纲高度Yplus在1附近，在进行计算前必须对近壁面第一层网格进行预估。经过初算，桥塔壁面的无量纲距离Yplus值如图5所示，满足计算要求。

本发明在数值模拟过程中，湍流描述形式采用湍流强度和湍流粘性比，湍流强度Turbulent Intensity取0.5％，湍流粘性比Turbulent viscosity ratio取2，地表采用无滑移边界条件(Wall-No Slip)，进口采用速度进口边界条件(Velocity Inlet)，顶面采用自由滑移边界条件(Wall-Free Slip)，侧面采用对称边界条件(Symmetry)，出口采用压力出口边界条件(Pressure Outlet)。求解方面，本发明中流场分析通过有限体积法离散求解任意拉格朗日-欧拉描述下的不可压缩N-S方程，结构分析则用有限元法求解结构动力学方程。

采用PISO方法进行求解，对流项和扩散项均采用二阶中心差分格式，用超松弛方法(SOR)求解压力Poisson方程，压力和动量松弛因子分别取0.3和0.7，在满足柯朗数(CFL)的前提下，时间步长Δt取0.001秒。

本发明中数值模拟求解结构振动方程如下：

(1)式中f(t)、M、ω、ζ分别是模态广义力、模态广义质量、圆频率、阻尼比。

(2)式中H、B、p_i(t)、A_i、

p(x,z,t)分别是结构高度、结构宽度各个网格的风压时程、各个网格的面积、振型函数数量值、高度为z，宽度为x处的风压时程。

(3)式及(4)式中的m(z)、u(z,t)分别是结构z高度处单位长度质量、结构振动响应位移时程。

通过求解(2)式和(3)式方程，得到模态广义力和模态广义位移。将其代入(1)式结构振动方程即可得到模态广义位移，最后通过模态坐标变换求出结构实际响应。

结构振动方程求解出振动位移等通过Fluent的二次开发UDF中的动网技术来指定网格更新状况。本发明重点在于本人编制的这套自定义程序代码UDF能实现结构和风场的流固耦合，并且能实现Fluent并行计算，大大提高了计算效率。本发明中，在网格处理这块采用“刚性边界层区域+动网格区域”思路，经过大变形测试，研究发现，这套UDF既能保证结构壁面附近的网格质量不随网格更新而变差，又能保证不容易出现网格负体积导致计算停止。

本发明中数值模拟计算的其中一个工况如图6所示。

Claims (4)

1.一种三维钢桥塔涡激振动计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由ANSYS workbench18.0的Modal模块提取振型坐标值；

2)对步骤1)得到的振型坐标值进行函数拟合，得到相对应的振型函数；

3)将振型函数、钢桥塔的结构动力特性输入到Fluent的自定义程序代码UDF中；

4)通过UDF得到广义力，并将广义力代入结构振动方程求解得到广义位移；

5)通过模态坐标转换，将步骤4)的广义位移转换为结构的实际振动位移，利用动网格宏命令来指定网格运动，从而更新网格位置，直至收敛后再进行下一个时间步的计算，每一个迭代时间步收敛后，返回步骤4)，UDF将每次迭代计算的实际振动位移保存下来，进而获取结构振动的时程位移；

所述结构振动方程表达式为：

其中，f(t)、M、ω、ζ分别是模态广义力、模态广义质量、圆频率、阻尼比；H、B分别是结构高度和结构宽度，p_i(t)为各个网格的风压时程， A_i 为各个网格的面积，

为振型函数数量值，p(x,z,t)为高度为z，宽度为x处的风压时程；m(z)、u(z,t)分别是高度z处单位长度质量、结构振动响应位移时程。

2.根据权利要求1所述的三维钢桥塔涡激振动计算方法，其特征在于，步骤1)的具体实现过程包括：利用三维机械设计软件Solidworks建立三维钢桥塔模型，然后基于ANSYSworkbench18.0平台，利用其Modal 模块导入钢桥塔模型，通过调试钢桥塔材料信息进行模态分析，使数值模拟中的钢桥塔模态和实桥模态等效，最后提取各阶模态振型下的坐标值。

3.根据权利要求1所述的三维钢桥塔涡激振动计算方法，其特征在于，利用Matlab软件对步骤1)得到的振型坐标值进行函数拟合，得到相对应的振型函数。

4.根据权利要求1所述的三维钢桥塔涡激振动计算方法，其特征在于，步骤4)的具体实现过程包括：

1)将钢桥塔的各阶振型函数、广义质量、阻尼比、圆频率、结构振动方程输入到Fluent的自定义程序代码UDF；

2)通过UDF将流体分析所得到的风压值转化为振型广义力，最终求解结构振动方程得到振型广义位移。

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