CN114117651B - 风-车-桥全动态耦合分析方法及系统 - Google Patents

风-车-桥全动态耦合分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种风‑车‑桥全动态耦合分析方法及系统，该方法包括：构建包含驾驶员行为的车‑桥耦合振动分析模块；采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车‑桥耦合振动分析模块中；通过车‑桥耦合振动分析模块对气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中；基于反馈结果，采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车‑桥耦合振动分析模块中，如此往复直至计算结束。这样实现车辆气动力与车辆状态实时更新的双向交互式计算，进而实现风‑车‑桥的全动态耦合计算，计算结果更加合理准确。

Description

风-车-桥全动态耦合分析方法及系统
技术领域
本发明涉及风-车-桥耦合分析领域，特别是涉及一种风-车-桥全动态耦合分析方法及系统。
背景技术
风环境下车辆在桥梁上行驶时，会对桥梁的气动特性产生影响，而桥梁的振动也会影响车辆的运动形态。在风环境下车辆除了与桥梁产生竖向耦合振动外，还会产生与桥面的相对侧向和偏转运动。在侧风作用下，车辆姿态是不断变化的，导致依赖于风速风向的车辆气动力也是不断变化的。同时，气动力作用下的车辆姿态变化要求驾驶员进行相应的调整，进一步影响车辆气动力。为了确定车辆在风作用下的运动状态，需要建立风-车-桥系统进行全面的计算分析。
目前，风-车-桥系统的耦合作用分析主要包括两种方法：第一种方法是在车轮与桥面之间引入了一个特殊阻尼器模型，用于模拟车辆在侧风作用下的驾驶方向偏离，但该方法没有考虑驾驶员的操控反馈行为。第二种方法是先建立风-车-桥整体系统，假定车轮与桥面始终完全接触且没有相对侧向位移，之后将整体分析得到的车辆响应和桥梁侧向加速度作为激励输入至车辆局部分析模型中，再引入驾驶员行为模型进行分析。该方法虽然引入驾驶行为模型，但只是进行独立分析，而实际上驾驶员对车辆的操控是随着车辆在桥上的状态不断变化的，该方法没有考虑驾驶员行为和侧风相互耦合作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风-车-桥全动态耦合分析方法及系统，可以实现风-车-桥的全动态耦合计算，计算结果更加合理准确。其具体方案如下：
一种风-车-桥全动态耦合分析方法，包括：
构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块；
采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至所述车-桥耦合振动分析模块中；
通过所述车-桥耦合振动分析模块对所述气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中；
基于反馈结果，采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至所述车-桥耦合振动分析模块中，以进行气动模拟和振动分析，如此往复直至计算结束。
优选地，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，所述构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块，包括：
根据车辆的侧滑、偏振和侧翻三个方向的自由度，建立车辆多自由度动力学模型；
将驾驶员行为模型添加至所述车辆多自由度动力学模型中，形成包含驾驶员行为的车辆动力模型；
建立桥梁结构的有限元模型，采用模态综合法提取桥梁的有限阶模态信息；
将所述包含驾驶员行为的车辆动力模型与所述桥梁的有限阶模态信息进行结合，以构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块。
优选地，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，所述采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果，包括：
在FLUENT中采用分离涡模拟方法计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力特性参数。
优选地，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，在所述采用分离涡模拟方法计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力特性参数的同时，还包括：
结合大涡模拟方法对分离流区域采用精细网格进行车辆周围流体模拟，并结合雷诺时均模拟方法对非分离流区域采用稀疏网格进行车辆周围流体模拟。
优选地，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，在所述采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果之前，还包括：
根据所述车-桥耦合振动分析模块反馈的车辆运动状态和轨迹，采用重叠网格的动网格方法对车辆周围的网格进行更新，以计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果。
优选地，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，在采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果之前，还包括：
建立风-车-桥三维CFD模块；所述风-车-桥三维CFD模块中输入有风场参数、车辆参数和桥梁参数；
在所述风-车-桥三维CFD模块中安装FLUENT。
优选地，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，还包括：
根据每个时刻的反馈结果，对风作用下桥梁及桥上车辆的运行状况进行实时监控。
本发明实施例还提供了一种风-车-桥全动态耦合分析系统，包括：包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块和气动力计算模块；
所述气动力计算模块，用于采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至所述车-桥耦合振动分析模块中；
所述车-桥耦合振动分析模块，用于对所述气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种风-车-桥全动态耦合分析方法，包括：构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块；采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中；通过车-桥耦合振动分析模块对气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中；基于反馈结果，采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中，以进行气动模拟和振动分析，如此往复直至计算结束。
本发明提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法，首先考虑了驾驶员行为来构建车-桥耦合振动分析模块，然后进行FLUENT与车桥耦合振动分析模块之间的双向交互式计算，实现车辆气动力与车辆状态实时更新的双向交互式计算，进而可以实时获取车辆在风作用下的运动状态，该方法较以往只将风荷载作为外部单一激励的单向耦合计算方法更加先进，实现了风-车-桥的全动态耦合计算，计算结果更加合理准确。
此外，本发明还针对风-车-桥全动态耦合分析方法提供了相应的系统，进一步使得上述方法更具有实用性，该系统具有相应的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的风-车-桥全动态耦合分析方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的FLUENT与车-桥耦合振动分析模块之间双向交互计算的过程示意图；
图3为本发明实施例提供的车辆刚体运动模型后视图；
图4为本发明实施例提供的车辆刚体运动模型俯视图；
图5为本发明实施例提供的车-桥耦合振动分析模块与风-车-桥三维CFD模块之间的耦合示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种风-车-桥全动态耦合分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101、构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块；
具体地，该步骤构建的模块是基于有限元分析的车-桥耦合振动分析模块该车-桥耦合振动分析模块植入了驾驶员行为，采用MATLAB程序编写；
S102、采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中；
具体地，该步骤可以由基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的气动力计算模块来执行；采用FLUENT计算流体力学软件并结合重叠网格法、动网格方法和并行计算等技术实现。
S103、通过车-桥耦合振动分析模块对气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中；
需要说明的是，步骤S102和步骤S103是FLUENT与车桥耦合振动分析模块之间的双向交互式计算，具体可以采用FLUENT程序中的外部接口，即用户自定义函数（User DefinedFunction，简称UDF）实现数据双向交互传递。
S104、基于反馈结果，采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中，以进行气动模拟和振动分析，如此往复直至计算结束。
以图2为例，FLUENT与车桥耦合振动分析模块的双向交互式计算的具体步骤包括：采用FLUENT计算得到侧风作用在车辆和桥梁上的气动力；通过FLUENT中的UDF编写代码，将气动力计算结果传递至MATLAB中的车-桥耦合振动分析模块；在车-桥耦合振动分析模块中获得侧风和驾驶员共同作用下车辆的运动状态；将车辆运动状态通过UDF传回FLUENT程序中；在新的车辆位置重新划分网格，采用FLUENT计算得到新的气动力；接下来，进行下一时间步内计算，同样重复上述过程，直到计算结束。
在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，首先考虑了驾驶员行为来构建车-桥耦合振动分析模块，然后进行FLUENT与车桥耦合振动分析模块之间的双向交互式计算，实现车辆气动力与车辆状态实时更新的双向交互式计算，进而可以实时获取车辆在风作用下的运动状态，该方法较以往只将风荷载作为外部单一激励的单向耦合计算方法更加先进，实现了风-车-桥的全动态耦合计算，计算结果更加合理准确。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，步骤S101构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块，具体可以包括：首先，根据车辆的侧滑、偏振和侧翻三个方向的自由度，建立车辆多自由度动力学模型；然后，将驾驶员行为模型添加至车辆多自由度动力学模型中，形成包含驾驶员行为的车辆动力模型；之后，建立桥梁结构的有限元模型，采用模态综合法提取桥梁的有限阶模态信息；最后，将包含驾驶员行为的车辆动力模型与桥梁的有限阶模态信息进行结合，以构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块。
具体地，先将车辆动力系统简化为质量-弹簧-阻尼器系统，考虑车辆的侧滑、偏转和侧翻三个方向的自由度，建立车辆多自由度动力学模型；如图3和图4所示，将驾驶员行为模型（即驾驶员施加的转向角）加入到车辆模型中，形成考虑驾驶员行为的车辆动力模型；之后建立桥梁结构的有限元模型，通过模态综合法提取桥梁的有限阶模态信息导入MATLAB程序。上述过程通过MATLAB计算平台编写，可以实现包含驾驶员行为的车辆与桥梁耦合振动计算和分析。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，考虑到数值模拟的准确性和效率，步骤S102采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果，具体可以包括：在FLUENT中采用分离涡模拟（Detached Eddy Simulation, 简称DES）方法计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力特性参数。同时，还可以包括：结合大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）方法对分离流区域采用精细网格进行车辆周围流体模拟，并结合雷诺时均模拟（eynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS）方法对非分离流区域采用稀疏网格进行车辆周围流体模拟。这样在解决车辆行驶带来的高雷诺数和分离流等精细化流动问题的同时保证了计算效率。
需要指出的是，在车头和桥梁迎风侧等分离流区域采用精细化网格，可以采用LES湍流模型实现流体的高精度模拟；而在非分离流区域如远离车辆和桥梁的远场采用较稀疏的网格，可以采用RANS湍流模型以提高计算效率。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，在采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果之前，还可以包括：根据车-桥耦合振动分析模块反馈的车辆运动状态和轨迹，采用重叠网格的动网格方法对车辆周围的网格进行更新，以计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果。
可以理解的是，在本发明中，车辆在计算流体力学软件计算域中的运动通过重叠网格的动网方法实现。将车辆周围的局部网格重叠于整个计算域的网格，在车辆运动过程中车辆周围的网格采用动网格技术不断变化更新，实现车辆运动过程中的流场计算并获得车辆和桥梁气动力结果。
为了进一步提高计算速度，本发明采用多核并行计算技术，根据网格数量以及计算复杂程度，设定不同的并行计算原则，将不同区域的网格分配在不同处理器分别计算，通过计算网格交界面之间数据的传递实现多核并行计算。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，在采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果之前，还可以包括：建立风-车-桥三维CFD模块；风-车-桥三维CFD模块中输入有风场参数、车辆参数和桥梁参数；在风-车-桥三维CFD模块中安装FLUENT。
如图5所示，通过车-桥耦合振动分析模块和风-车-桥三维CFD模块，采用双向交互式数据传递技术，实现风-车-桥全动态的耦合计算。基于植入驾驶员行为模型的车辆多自由度动力学模型和桥梁有限元模型，建立了车-桥耦合振动分析模块，基于该模块可获得车辆运动状态和轨迹。风-车-桥三维CFD模块中输入风场参数、车辆参数和桥梁参数，同时根据车-桥耦合振动分析模块中获得的车辆运动状态更新计算网格，通过FLUENT软件计算获得车辆周围的流场和气动特性。将气动力结果传回到车-桥耦合振动分析模块中，再次进行车桥耦合振动计算，如此往复直至计算结束。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析方法中，为了确保计算的准确性，还可以包括：根据每个时刻的反馈结果，对风作用下桥梁及桥上车辆的运行状况进行实时监控。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种风-车-桥全动态耦合分析系统，由于该系统解决问题的原理与前述一种风-车-桥全动态耦合分析方法相似，因此该系统的实施可以参见风-车-桥全动态耦合分析方法的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，本发明实施例提供的风-车-桥全动态耦合分析系统，具体包括：包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块和气动力计算模块；
气动力计算模块，用于采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中；
车-桥耦合振动分析模块，用于对气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中。
在本发明实施例提供的上述风-车-桥全动态耦合分析系统中，可以通过上述两个模块的相互作用，进行FLUENT与车桥耦合振动分析模块之间的双向交互式计算，以实现车辆气动力与车辆状态实时更新的双向交互式计算，进而实现了风-车-桥的全动态耦合计算，使计算结果更加合理准确。
关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
综上，本发明实施例提供的一种风-车-桥全动态耦合分析方法，包括：构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块；采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中；通过车-桥耦合振动分析模块对气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中；基于反馈结果，采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至车-桥耦合振动分析模块中，以进行气动模拟和振动分析，如此往复直至计算结束。该方法首先考虑了驾驶员行为来构建车-桥耦合振动分析模块，然后进行FLUENT与车桥耦合振动分析模块之间的双向交互式计算，实现车辆气动力与车辆状态实时更新的双向交互式计算，进而可以实时获取车辆在风作用下的运动状态，该方法较以往只将风荷载作为外部单一激励的单向耦合计算方法更加先进，实现了风-车-桥的全动态耦合计算，计算结果更加合理准确。此外，本发明还针对风-车-桥全动态耦合分析方法提供了相应的系统，进一步使得上述方法更具有实用性，该系统具有相应的优点。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的风-车-桥全动态耦合分析方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种风-车-桥全动态耦合分析方法，其特征在于，包括：
根据车辆的侧滑、偏振和侧翻三个方向的自由度，建立车辆多自由度动力学模型；
将驾驶员行为模型添加至所述车辆多自由度动力学模型中，形成包含驾驶员行为的车辆动力模型；
建立桥梁结构的有限元模型，采用模态综合法提取桥梁的有限阶模态信息；
将所述包含驾驶员行为的车辆动力模型与所述桥梁的有限阶模态信息进行结合，以构建包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块；
采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至所述车-桥耦合振动分析模块中；
通过所述车-桥耦合振动分析模块对所述气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中；
基于反馈结果，采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至所述车-桥耦合振动分析模块中，以进行气动模拟和振动分析，如此往复直至计算结束。
2.根据权利要求1所述的风-车-桥全动态耦合分析方法，其特征在于，所述采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果，包括：
在FLUENT中采用分离涡模拟方法计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力特性参数。
3.根据权利要求2所述的风-车-桥全动态耦合分析方法，其特征在于，在所述采用分离涡模拟方法计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力特性参数的同时，还包括：
结合大涡模拟方法对分离流区域采用精细网格进行车辆周围流体模拟，并结合雷诺时均模拟方法对非分离流区域采用稀疏网格进行车辆周围流体模拟。
4.根据权利要求3所述的风-车-桥全动态耦合分析方法，其特征在于，在所述采用FLUENT计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果之前，还包括：
根据所述车-桥耦合振动分析模块反馈的车辆运动状态和轨迹，采用重叠网格的动网格方法对车辆周围的网格进行更新，以计算下一时刻的车辆和桥梁上的气动力结果。
5.根据权利要求4所述的风-车-桥全动态耦合分析方法，其特征在于，在采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果之前，还包括：
建立风-车-桥三维CFD模块；所述风-车-桥三维CFD模块中输入有风场参数、车辆参数和桥梁参数；
在所述风-车-桥三维CFD模块中安装FLUENT。
6.根据权利要求1所述的风-车-桥全动态耦合分析方法，其特征在于，还包括：
根据每个时刻的反馈结果，对风作用下桥梁及桥上车辆的运行状况进行实时监控。
7.一种风-车-桥全动态耦合分析系统，其特征在于，包括：包含驾驶员行为的车-桥耦合振动分析模块和气动力计算模块；所述车-桥耦合振动分析模块是将包含驾驶员行为的车辆动力模型与桥梁的有限阶模态信息进行结合而构建的；所述包含驾驶员行为的车辆动力模型是在根据车辆的侧滑、偏振和侧翻三个方向的自由度，建立车辆多自由度动力学模型后，将驾驶员行为模型添加至所述车辆多自由度动力学模型中而形成的；所述桥梁的有限阶模态信息是采用模态综合法从建立的桥梁结构的有限元模型中提取出的；
所述气动力计算模块，用于采用FLUENT计算当前时刻的车辆和桥梁上的气动力结果并传递至所述车-桥耦合振动分析模块中；
所述车-桥耦合振动分析模块，用于对所述气动力结果进行气动模拟和振动分析，获得在侧风和驾驶员共同作用下车辆运动状态和轨迹并反馈至FLUENT中。
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