CN116975995A - 一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质 - Google Patents
一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116975995A CN116975995A CN202310804358.9A CN202310804358A CN116975995A CN 116975995 A CN116975995 A CN 116975995A CN 202310804358 A CN202310804358 A CN 202310804358A CN 116975995 A CN116975995 A CN 116975995A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vehicle
- bridge
- axle
- vertical displacement
- contact point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 120
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 120
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 120
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 101
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 108
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 31
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 26
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 28
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 11
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 10
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000036541 health Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000013515 script Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Vehicle Body Suspensions (AREA)
Abstract
本发明提供的一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质，具体涉及车桥耦合分析技术领域，该方案通过桥梁结构参数、车辆结构参数和几何建模工具软件平台，分别构建出的桥梁有限元模型和双轴半车简化车辆模型；基于构建的贴近实际车辆和桥梁的车、桥模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型；并对车桥耦合模型进行瞬态分析，获得车辆竖向位移和桥梁竖向位移，以实现车、桥耦合分析。该方案能够准确获取多种车桥耦合响应数据，从而实现多维度、精确分析乘车安全和桥梁健康监测。
Description
技术领域
本发明涉及车桥耦合分析技术领域，尤其涉及的是一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质。
背景技术
随着计算机技术的发展，利用计算机软件对桥梁结构进行设计、分析的应用逐渐成熟，基于ANSYS、ABAQUS等通用有限元软件模拟车桥耦合振动分析的应用逐渐广泛，采用软件丰富的单元类型构建车辆与桥梁模型，利用两者的位移协调关系或者力的相互作用实现车桥耦合振动分析，对桥梁结构进行数值模拟可以解决现场试验无法进行的缺陷，并且可以模拟多种工况，节省现场试验的时间、人工、试验设备等成本。
现有技术中，对车桥耦合振动分析的桥梁有限元模型的构建，主要是应用利用线单元(包括梁单元和板单元)或平面单元，构建的有限元模型都只有三个方向的平动自由度，利用壳单元构建的有限元模型中，每个单元有四个节点，可知基于线单元与壳单元构建的桥梁有限元模型，均是桥梁结构简化之后的模型，虽然该模型能够提升建模速度以及ANSYS软件的计算速度，但是该简化模型多用于分析桥梁结构的整体性能，而不能更好地研究桥梁小范围的局部受力情况，基于该模型进行车桥耦合分析的精度较低。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种车桥耦合分析车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质，旨在解决现有技术中存在的以桥梁的局部为研究对象时，车桥耦合分析的精度较低的问题。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种车桥耦合分析方法，包括以下步骤：
基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于所述实体单元，构建桥梁有限元模型；
基于车辆结构参数和所述几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型；
基于所述桥梁有限元模型和所述双轴半车简化车辆模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型；
对所述车桥耦合模型进行瞬态分析，计算所述车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移；获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移，并基于所述车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
可选的，所述基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于所述实体单元，构建桥梁有限元模型，包括：
基于所述桥梁结构参数，构建桥梁几何模型；
基于所述几何建模工具软件平台，将所述桥梁几何模型离散化为若干个实体单元；
基于所述实体单元划分网格，并基于所述网格构建桥梁有限元模型。
可选的，所述基于车辆结构参数和所述几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型，包括：
基于所述车辆前、后悬挂系统的结构参数，构建双轴半车几何模型；
基于所述几何建模工具软件平台，构建车辆各个部件的刚性体及各个所述刚性体之间的连接关系，获得连接后的刚性体；
基于所述连接后的刚性体，构建双轴半车简化车辆模型。
可选的，所述基于所述桥梁有限元模型和所述双轴半车简化车辆模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型，包括：
获取车辆在桥面行驶过程中各个时刻的行驶参数及车桥接触点；
利用所述桥梁有限元模型中所述车桥接触点所在的实体单元，和所述双轴半车简化车辆模型中所述车桥接触点所在的前悬挂系统或后悬挂系统，构建车桥耦合模型。
可选的，所述对所述车桥耦合模型进行瞬态分析，计算所述车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移，包括：
提取所述几何建模工具软件平台中所述车桥接触点所在的实体单元上的各个节点的竖向位移，获得节点竖向位移；
基于所述节点竖向位移和所述节点所在的实体单元的边长，以及所述车桥接触点在所述节点所在的实体单元上的位置，获得车桥接触点处的竖向位移；
基于所述车桥接触点处的竖向位移和所述接触点所在的实体单元上的各个节点的竖向位移，获得所述节点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，并基于所述实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移。
可选的，所述获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移，基于所述车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果，包括：
基于所述车辆的行驶数据，获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移；
当所述车辆竖向位移和所述桥梁竖向位移相等时，选择所述几何建模工具软件平台中的耦合分析模型，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得所述耦合分析结果。
可选的，所述实体单元的类型为四面体线性单元、四面体二次单元、六面体线性单元或六面体二次单元中的至少一种。
本发明第二方面提供一种车桥耦合分析系统，所述系统包括：
桥梁有限元模型构建模块，用于基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于所述实体单元，构建桥梁有限元模型；
双轴半车简化车辆模型构建模块，用于基于车辆结构参数和几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型；
车桥耦合模型构建模块，用于基于所述桥梁有限元模型和所述双轴半车简化车辆模型，以及所述车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型；
耦合分析模块，用于对所述车桥耦合模型进行瞬态分析，计算所述车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移；获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移，并基于所述车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
本发明第三方面提供一种智能终端，所述智能终端包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的车桥耦合分析程序，所述车桥耦合分析程序被所述处理器执行时实任意一项上述车桥耦合分析方法的步骤。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有车桥耦合分析程序，所述车桥耦合分析程序被处理器执行时实现任意一项上述车桥耦合分析方法的步骤。
与现有技术相比，本方案的有益效果如下：
本申请通过桥梁结构参数和ANSYS软件平台，将桥梁离散化为实体单元，构建出的桥梁有限元模型，更接近真实的桥梁结构；基于车辆结构参数和所述ANSYS软件平台，构建出的双轴半车简化车辆模型，更贴近车辆的真实前、后悬挂系统的布局；基于构建的贴近实际车辆和桥梁的车、桥模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建出的车桥耦合模型，更能反映车辆在桥梁上行驶的真实振动响应数据；对车桥耦合模型进行瞬态分析，获得车桥接触点所在的实体单元上目标位置处的竖向位移，以实现对车轮节点和车桥接触点处桥梁的位移关系进行耦合分析，准确获得桥梁的局部部位的位移变化、应力变化和响应变化等多种响应数据，从而利用这些响应数据判断桥梁的安全性、乘客的乘坐舒适性以及车对桥的冲击效应等，进而实现多维度、精确分析乘车安全和桥梁健康监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的车桥耦合分析方法流程图；
图2为本发明的双轴半车简化车辆模型结构示意图；
图3为本发明的车桥耦合模型结构示意图；
图4为本发明的车桥耦合分析结果仿真图；
图5为本发明的车桥耦合分析系统结构示意图；
图6为本发明的智能终端结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似的，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述的条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
下面结合本发明实施例的附图，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的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
车辆在桥梁上行驶的过程中会引起桥梁的振动，而桥梁的振动又会反过来引起车辆的振动，桥梁与车辆两者之间的相互影响、相互耦合形成了动态的车桥耦合，从而对桥梁结构的响应产生影响。车辆荷载是桥梁受到外部的主要作用，研究车桥耦合振动对桥梁结构的影响，这对保证桥梁的安全性能有一定的必要性。
基于线单元与壳单元构建的桥梁有限元模型，均是桥梁结构简化之后的模型，因此，该模型的精度较低，基于该模型进行车桥耦合分析的准确性较低，因此不能保障车辆在桥上行驶的安全性。基于此，本发明基于工程实际的桥梁结构，利用桥梁的实体单元划分出的体积模型来构建桥梁的有限元模型，能够提高车过桥对桥梁安全性、舒适性以及车对桥的冲击效应的分析准确性。
示例性方法
本发明实施例提供一种车桥耦合分析方法，部署于电脑、服务器等电子设备上，应用场景为检测桥梁的损伤位置、检测桥梁的承载力，评估行车安全性、舒适性，以及监测车对桥的冲击效应等场景，针对的是利用车桥耦合分析数据进行检测和评估的情况。上述桥梁和车辆的类型不做限制，桥梁可以是跨河桥、跨谷桥、跨线桥(又称立交桥)、高架桥、栈桥等，车辆可以是轿车、货车、客车、挂车等双轴车辆。本实施例基于ANSYS软件构建车、桥模型，并基于所构建的车、桥模型进行车桥耦合分析，需要声明的是进行车桥耦合分析的软件平台包括但不限于ANSYS软件，具体的，如图1所示，本实施例方法的步骤包括：
步骤S1000：基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于实体单元，构建桥梁有限元模型。
具体地，基于桥梁结构参数，构建桥梁几何模型；基于ANSYS软件平台，将桥梁几何模型离散化为若干个实体单元；基于实体单元，进行网格划分，构建桥梁有限元模型，具体步骤如下：
步骤S1001：导入几何模型：基于桥梁结构参数，构建桥梁几何模型，并将所构建的几何模型导入ANSYS软件中。
本实施例是基于ANSYS软件中的几何建模工具构建桥梁几何模型，作为其他优选实施方式，还可以根据实际情况，灵活选择基于初始化图形交换规范(IGES)或基于产品模型数据交换标准(STEP)等几何建模工具，构建桥梁几何模型。
步骤S1002：划分实体单元：通过划分实体单元来离散化桥梁结构。ANSYS中提供了多种实体单元类型，如六面体单元、四面体单元等。选择合适的单元类型并按照桥梁结构的几何特征进行划分。
步骤S1003：定义材料属性：根据桥梁的材料性质，定义相应的材料属性，例如弹性模量、泊松比和密度等。材料属性可以从ANSYS中已经定义好的材料库中选择，也可以手动输入材料参数进行配置。
步骤S1004：设置边界条件和载荷条件：在模型中设置边界条件，以模拟桥梁受力情况。边界条件包括支座约束方式(如固定支座或弹簧支座等)等。载荷条件包括均布载荷、点载荷、温度载荷等。
步骤S1005：执行网格划分，生成桥梁有限元模型：在实体单元划分后，进行网格划分操作以生成桥梁有限元模型。ANSYS软件提供了不同类型的网格划分算法，可以根据模型的复杂度和所需精度选择合适的网格划分算法，如Tetrahedron、Hexahedron等。并基于网格划分出的有限元网格，检查网格质量，以确保网格的质量满足要求，避免出现扭曲、倾斜或过小的单元。
需要声明的是，在构建基于实体单元划分的桥梁有限元模型时，需要根据具体情况和问题需求考虑上述参数，并通过ANSYS软件提供的界面或者编程脚本来设定这些参数及其对应的方程关系。具体参数设置和方程构建可能因桥梁结构的复杂性和要求而有所不同，需要结合具体情况进行调整和优化。
仿真实验中以构建栈桥有限元模型为例，由于实体单元栈桥模型所用坐标点较多，采用APDL参数化设计语言，以减少构建栈桥模型的时间，基于ANSYS软件执行的主要命令包括：
用*TREAD命令读入利用记事本写好的坐标文件(即.txt文件)；
用*do命令和V命令构建各构件几何体积模型；
用布尔运算中的VGULE命令连接基坑栈桥各构件，完成栈桥整体几何模型构建。
步骤S2000：基于车辆结构参数和几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型。
具体地，基于车辆前、后悬挂系统的结构参数，构建双轴半车几何模型；基于ANSYS软件平台，构建车辆各个部件的刚性体及各个刚性体之间的连接关系，获得连接后的刚性体；基于连接后的刚性体，构建双轴半车简化车辆模型，具体步骤如下：
步骤S2001：导入几何模型：基于车辆前、后悬挂系统的结构参数，构建双轴半车几何模型，并将所构建的双轴半车的几何模型导入到ANSYS软件中。
步骤S2002：创建刚性体：根据双轴半车几何模型结构，使用ANSYS软件的几何建模工具创建刚性体，各个刚性体分别代表车身、车轮、悬挂系统等车辆的主要组成部分。具体可以根据实际应用情况，选择使用弹簧元素、弹簧-阻尼元素或者连接单元来表示车轮和悬挂系统的特性，并设置相应的刚度系数、阻尼和质量等参数。
步骤S2003：定义材料属性：为每个刚性体定义相应的材料属性。通常，车身可以使用钢铁或铝合金材料；车轮和悬挂系统可以使用弹性材料。
步骤S2004：连接刚性体，构建双轴半车简化车辆模型：使用连接单元(例如约束等效节点或柔性连接单元)将刚性体连接起来，以模拟车轮和悬挂系统之间的联系。通过定义适当的连接参数，确保刚性体之间存在正确的约束关系。
步骤S2005：构建双轴半车简化车辆模型：将连接后的刚性体分为前、后轴半车简化车辆模型，从整体上而言，构建出双轴半车简化车辆模型。
步骤S2006：定义边界条件：设置合适的约束和载荷条件。对于双轴半车模型，常见的约束条件包括车身底部的固定支撑点，以及车轮与地面之间的车桥接触点。
基于上述步骤，本实施例基于车辆前、后悬挂系统的质量、阻尼系数、刚度系数，以及车辆在桥面行驶过程中，车桥接触点处桥梁的竖向位移和竖向速度，构建车辆各个部件的刚性体以及各个刚性体之间的连接关系，以构建出双轴半车简化车辆模型，如图2所示。图中，以定义的x轴和y轴构成的坐标系为参考，Mc表示车体集中质量，Ic表示车体点头刚度，m1、m2分别表示前、后悬挂系统质量与轮对质量之和，b1、b2分别表示车辆前、后轴与车体质量中心的距离，Y表示车体集中质量处的竖向位移，y1′、y2′分别表示前、后轴上层悬挂系统竖向位移，y1、y2分别表示前、后轮对竖向位移，ksi、kti分别表示上、下层悬挂系统垂向刚度系数，csi、cti分别表示上、下层悬挂系统垂向阻尼系数。
在建立双轴半车简化车辆模型时，可以基于实际车辆设置上述各个参数值，以构建出不同类型和型号的车辆模型，使得车辆模型更贴近实际，为准确地进行车、桥耦合分析提供基础，有利于提高计算出的竖向位移和应力等各类响应数据的准确性。
由上述分析可知，基于双轴半车几何模型的车体集中质量，以及前、后悬挂系统质量与轮对质量之和；以及基于车辆的上、下层悬挂系统的垂向刚度系数、垂向阻尼系数和竖向位移，以及车桥接触点的桥梁竖向位移和竖向速度，构建刚性体，并选择相应的连接单元，构建各个刚性体之间的连接关系，获得连接后的刚性体；并将连接后的刚性体分为前、后轴半车简化车辆模型，构建双轴半车简化车辆模型。
仿真实验中，基于ANSYS软件平台，构建车辆模型的主要命令如下：
用命令N定义车辆前后车轴及车体集中质量节点位置；
用命令ET定义单元类型，双轴半车模型部件在ANSYS软件所用单元，如表1所示；
用命令E构建车体集中质量、车轮质量单元和构建上、下层悬架与轮对质量的连接单元；
用命令R赋予相关单元属性。
表1双轴半车模型ANSYS所用单元
进一步地，为了模拟车辆与地面的接触情况，可以使用约束元素或者接触算法来构建地面与车轮之间的约束条件。可以设置摩擦系数、接触刚度等参数来控制接触行为。
进一步地，为了进行动力响应分析，可以根据实际应用情况构建外部载荷、路面不平度或者自定义的激励模型等，来模拟车辆受到的激励加载，并设置相应的加载参数。
需要声明的是，在构建双轴半车简化车辆模型时，需要根据具体情况和问题需求考虑上述参数，并通过ANSYS软件提供的界面或者编程脚本来设定这些参数及其对应的方程关系。具体的参数设置和方程构建可能会因车辆类型、分析目标和精度要求而有所不同，需要根据实际情况进行调整和优化。
步骤S3000：基于桥梁有限元模型和双轴半车简化车辆模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型。
具体地，基于步骤S1000构建的桥梁有限元模型和基于步骤S2000构建的双轴半车简化车辆模型，以车辆在桥面行驶过程中，各个时刻的行驶参数，以及车辆的车轮和桥梁实体单元的车桥接触点(以下简称车桥接触点)，基于车桥接触点，利用桥梁有限元模型中车桥接触点所在的实体单元，和双轴半车简化车辆模型中车桥接触点所在的前悬挂系统或后悬挂系统，构建车桥耦合模型，如图3所示。
本实施例构建的车桥耦合模型，如图3所示。图中(x，y，z)表示车桥接触点的坐标，a、b、c分别表示桥梁模型中桥面板实体单元的长、宽、高，且a所在的方向为x轴方向，b所在的方向为y轴方向，c所在的方向为z轴方向，编号1～8分别表示实体单元的8个节点。
步骤S4000：对车桥耦合模型进行瞬态分析，计算车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得车桥接触点处的桥梁竖向位移；获取车桥接触点处的车辆竖向位移，并基于车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
具体地，基于步骤S3000构建的车桥耦合模型，计算各个车桥接触点点处的桥梁竖向位移关系，具体为提取ANSYS软件平台中车桥接触点所在的实体单元上的各个节点的竖向位移，获得节点竖向位移；基于节点竖向位移和节点所在的实体单元的边长，以及车桥接触点在节点所在的实体单元上的位置，获得车桥接触点处的竖向位移；基于车桥接触点处的竖向位移和接触点所在的实体单元上的各个节点的竖向位移，获得节点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，并基于实体单元目标位置处的竖向位移，获得车桥接触点处的桥梁竖向位移。其中，车辆在桥梁上通行的行驶参数包括动荷载、车体质量、质量系数、阻尼系数和刚度系数。
基于图3所示的车桥耦合模型，假设车桥接触点所在的桥梁实体单元的中心坐标为该实体单元底面的中心，以该中心为原点建立三维坐标系xyz，通过车桥接触点与桥梁实体单元节点位移的关系，计算车辆在桥面行驶过程中各个时刻对应的实体单元上车桥接触点处的竖向位移Ni，具体如公式(1)所示：
其中，βi、ζi、ηi分别表示桥梁实体单元上的各个节点的相对坐标与该坐标方向实体单元长度一半的比值，i表示实体单元的节点个数，i＝1,2,...,8，其中桥梁实体单元上的各个节点的竖向位移可以通过ANSYS软件直接提取，即βi＝xi/(a/2)、ζi＝yi/(b/2)、ηi＝zi/(c/2)；β、ζ、η分别表示车桥接触点与所在桥梁实体单元的中心坐标的相对比值，即β＝x/(a/2)、ζ＝y/(b/2)、η＝z/(c/2)，也就是表示有限元实体单元上某一点的竖向位移；xi表示实体单元各节点在该实体单元内的相对坐标；(x，y，z)表示车桥接触点在所在单元的坐标。
基于实体单元上车桥接触点处的竖向位移Ni和实体单元各个节点的竖向位移ui，利用有限元单元法公式，计算实体单元上除节点外的其他任意位置处的竖向位移uz，具体如公式(2)所示：
需要声明的是，利用公式(2)计算实体单元上除节点外的其他任意位置处的竖向位移，也就是可以根据需要将这些点作为目标位置，求解所选择的目标位置的竖向位移。
在计算车辆和桥梁之间的竖向位移关系时，假设车辆在桥面行驶过程中不发生横向振动和跳车现象，即轮胎始终和桥面接触。当车辆在桥面行驶时，因为振动产生竖向变形时，其变形协调满足以下关系，若不考虑桥面不平度，则在车桥接触点处桥梁竖向位移等于车轮节点的竖向位移；若考虑桥面不平度，则在车桥接触点处桥梁竖向位移和桥面不平度幅值之和等于车轮节点的竖向位移，如公式(3)所示：
ycj-uz-rqi＝0 (3)
其中，ycj表示车辆的前、后轮对的车轮节点竖向位移，j＝1,2，j表示车辆前、后悬架系统；rqi表示车轮节点处桥面不平度幅值。
本实施例中不考虑桥面不平度，即rqi的取值为0，那么在车桥接触点处，当车辆的前轮对或后轮对的车轮节点竖向位移等于桥梁竖向位移时，车、桥发生耦合。然后通过选取ANSYS软件平台中的耦合分析模型，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
本实施例选择的实体单元类型为solid185，solid185为六面体8节点线性单元，能够在真实反映桥梁的几何结构的基础上，尽量减小解析负荷，占用较少的计算资源，提高耦合分析效率，作为其他优选实施方式，可以根据实际应用需求，灵活选择具有六面体20节点二次单元solid186、具有四面体10节点二次单元solid187，或者具有四面体4节点线性单元solid285。
在ANSYS软件中，通过车轮的移动模拟车辆在桥梁的行驶过程，根据车轮节点位置找出与车轮靠近的桥梁有限元模型节点，将该桥梁节点定义成最近节点，利用最近节点以及车轮节点位置的关系定位前(后)车轮所在的桥梁有限元模型单元，进而对所在桥梁实体单元的节点进行命名，利用桥梁实体单元上某一点与桥梁实体单元上的所有节点之间的关系，计算车桥接触点(x，y，z)处的位移，最后基于位移协调关系，对车轮节点与车桥接触点处桥梁节点的位移关系进行耦合。在车辆过桥的整个过程中，利用迭代的思想，完成车辆在桥面行驶的整个过程各个时刻的车桥接触点处的车桥耦合振动分析。
仿真实验中，利用ANSYS软件进行车桥耦合振动分析时，具体是采用命令CE进行位移协调关系的耦合。通过循环命令流，实现车辆在桥面行驶过程中车轮节点与车桥接触点处桥梁节点的位移关系的耦合，并输出桥梁某个位置的竖向位移或者某部位的应力时程曲线等响应数据，从而利用这些响应数据分析车过桥的过程中，桥梁的安全性、乘客的乘坐舒适性以及车对桥的冲击效应。
本发明基于ANSYS有限元软件构建实体单元划分的桥梁有限元模型与简化车辆模型，实现了车桥耦合振动分析，能够直观了解到车辆通过桥梁时对桥梁结构的影响，读取桥梁某一节点或某一局部的相关响应，解决以往应用梁单元构建桥梁有限元模型的单一方法，实现对车桥耦合振动对桥梁结构响应变化更为详细的认识。
以斜坡式基坑栈桥进行车桥耦合分析为例进行仿真模拟实验，得到的基坑栈桥局部部位的应力变化时程曲线，如图4所示，横坐标表示车辆到达的桥面位置，单位取m，纵坐标表示在对应位置处在车辆的作用下桥梁产生的应力，单位取Mpa，不同的曲线表示车辆以不同的速度在桥梁上行驶的情况，这里选择的车辆速度为1km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h，从该时程曲线可以看出桥梁响应的变化趋势表明，在多种不同车速情况下，当车辆越靠近桥梁某个部位时，该部位的应力会增大，表明车辆会对该部位产生冲击效应，该时程曲线验证了桥梁响应的真实变化过程，说明了本发明构建的车、桥模型的合理性和实用性，以及进行的车桥耦合分析的有效性。
进一步地，可以基于车桥耦合模型的响应、应力变化、位移等结果进行可视化和分析，比如提取关键点的响应曲线、计算特定指标等。
以上是本实施例基于ANSYS软件进行车桥耦合分析的过程，作为其他优选实施方式，可以根据实际应用情况和分析目标进行调整和优化。
示例性系统
如图5所示，对应于上述车桥耦合分析方法，本发明实施例还提供一种车桥耦合分析系统，上述车桥耦合分析系统包括：
桥梁有限元模型构建模块510，用于基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于实体单元，构建桥梁有限元模型；
双轴半车简化车辆模型构建模块520，用于基于车辆结构参数和几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型；
车桥耦合模型构建模块530，用于基于桥梁有限元模型和双轴半车简化车辆模型，以及车辆在桥面行驶过程中的各个车桥接触点，构建车桥耦合模型；
耦合分析模块540，用于对车桥耦合模型进行瞬态分析，获得车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移；并基于车桥接触点处的车辆和桥梁各自的竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
具体的，本实施例中，上述车桥耦合分析系统的具体功能还可以参照上述车桥耦合分析方法中的对应描述，在此不再赘述。
基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图6所示。上述智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口以及显示屏。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内部存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和车桥耦合分析程序。该内部存储器为非易失性存储介质中的操作系统和基于车桥耦合分析程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该车桥耦合分析程序被处理器执行时实现上述任意一种车桥耦合分析方法的步骤。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的原理框图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种智能终端，上述智能终端包括存储器、处理器以及存储在上述存储器上并可在上述处理器上运行的车桥耦合分析程序，上述车桥耦合分析程序被上述处理器执行时实现本发明实施例提供的任意一种车桥耦合分析方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质上存储有车桥耦合分析程序，上述车桥耦合分析程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的任意一种车桥耦合分析方法的步骤。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是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法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种车桥耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于所述实体单元，构建桥梁有限元模型；
基于车辆结构参数和所述几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型；
基于所述桥梁有限元模型和所述双轴半车简化车辆模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型；
对所述车桥耦合模型进行瞬态分析，计算所述车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移；获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移，并基于所述车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
2.根据权利要求1所述的车桥耦合分析方法，其特征在于，所述基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于所述实体单元，构建桥梁有限元模型，包括：
基于所述桥梁结构参数，构建桥梁几何模型；
基于所述几何建模工具软件平台，将所述桥梁几何模型离散化为若干个实体单元；
基于所述实体单元划分网格，并基于所述网格构建桥梁有限元模型。
3.根据权利要求1所述的车桥耦合分析方法，其特征在于，所述基于车辆结构参数和所述几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型，包括：
基于所述车辆前、后悬挂系统的结构参数，构建双轴半车几何模型；
基于所述几何建模工具软件平台，构建车辆各个部件的刚性体及各个所述刚性体之间的连接关系，获得连接后的刚性体；
基于所述连接后的刚性体，构建双轴半车简化车辆模型。
4.根据权利要求1所述的车桥耦合分析方法，其特征在于，所述基于所述桥梁有限元模型和所述双轴半车简化车辆模型，以及车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型，包括：
获取车辆在桥面行驶过程中各个时刻的行驶参数及车桥接触点；
利用所述桥梁有限元模型中所述车桥接触点所在的实体单元，和所述双轴半车简化车辆模型中所述车桥接触点所在的前悬挂系统或后悬挂系统，构建车桥耦合模型。
5.根据权利要求1所述的车桥耦合分析方法，其特征在于，所述对所述车桥耦合模型进行瞬态分析，计算所述车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移，包括：
提取所述几何建模工具软件平台中所述车桥接触点所在的实体单元上的各个节点的竖向位移，获得节点竖向位移；
基于所述节点竖向位移和所述节点所在的实体单元的边长，以及所述车桥接触点在所述节点所在的实体单元上的位置，获得车桥接触点处的竖向位移；
基于所述车桥接触点处的竖向位移和所述接触点所在的实体单元上的各个节点的竖向位移，获得所述节点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，并基于所述实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移。
6.根据权利要求5所述的车桥耦合分析方法，其特征在于，所述获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移，基于所述车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果，包括：
基于所述车辆的行驶数据，获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移；
当所述车辆竖向位移和所述桥梁竖向位移相等时，选择所述几何建模工具软件平台中的耦合分析模型，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得所述耦合分析结果。
7.根据权利要求1-5任一项所述的车桥耦合分析方法，其特征在于，所述实体单元的类型为四面体线性单元、四面体二次单元、六面体线性单元或六面体二次单元中的至少一种。
8.车桥耦合分析系统，其特征在于，所述系统包括：
桥梁有限元模型构建模块，用于基于桥梁结构参数和几何建模工具软件平台，将桥梁离散化为若干个实体单元，并基于所述实体单元，构建桥梁有限元模型；
双轴半车简化车辆模型构建模块，用于基于车辆结构参数和几何建模工具软件平台，构建双轴半车简化车辆模型；
车桥耦合模型构建模块，用于基于所述桥梁有限元模型和所述双轴半车简化车辆模型，以及所述车辆在桥面行驶过程中的车桥接触点，构建车桥耦合模型；
耦合分析模块，用于对所述车桥耦合模型进行瞬态分析，计算所述车桥接触点所在的实体单元目标位置处的竖向位移，获得所述车桥接触点处的桥梁竖向位移；获取所述车桥接触点处的车辆竖向位移，并基于所述车桥接触点处的车辆竖向位移和桥梁竖向位移，进行车辆和桥梁的动力响应分析，获得耦合分析结果。
9.智能终端，其特征在于，所述智能终端包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的车桥耦合分析程序，所述车桥耦合分析程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述车桥耦合分析方法的步骤。
10.计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有车桥耦合分析程序，所述车桥耦合分析程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述车桥耦合分析方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310804358.9A CN116975995A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310804358.9A CN116975995A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116975995A true CN116975995A (zh) | 2023-10-31 |
Family
ID=88484139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310804358.9A Pending CN116975995A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116975995A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118209191A (zh) * | 2024-05-21 | 2024-06-18 | 中铁大桥局集团有限公司 | 桥梁振动位移间接识别方法、设备和可读存储介质 |
-
2023
- 2023-06-30 CN CN202310804358.9A patent/CN116975995A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118209191A (zh) * | 2024-05-21 | 2024-06-18 | 中铁大桥局集团有限公司 | 桥梁振动位移间接识别方法、设备和可读存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111581859B (zh) | 一种悬架耦合非线性商用车的平顺性建模分析方法及系统 | |
| KR102473091B1 (ko) | 차체 부품의 감도 해석 방법 및 장치, 차체 부품의 재료 특성 결정 방법 | |
| CN101510230A (zh) | 车辆道路载荷的仿真方法 | |
| CN103150458A (zh) | 车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统及其动力分析方法 | |
| CN102945307A (zh) | 汽车底盘关键结构件结构优化设计方法 | |
| Giagopoulos et al. | Dynamic response and identification of critical points in the superstructure of a vehicle using a combination of numerical and experimental methods | |
| CN110414052A (zh) | 一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法 | |
| CN116975995A (zh) | 一种车桥耦合分析方法、系统、智能终端及存储介质 | |
| JP5440773B2 (ja) | 車両の企画支援システム | |
| Gu | Resonance in long-span railway bridges carrying TGV trains | |
| Widner et al. | Framework for vehicle dynamics model validation | |
| CN104331556A (zh) | 基于车辆平顺性非线性仿真模型的仿真试验方法 | |
| CN117454717A (zh) | 一种商用车驾驶室悬置系统的平顺性优化分析方法 | |
| Li et al. | Updating time-variant dimension for complex traffic flows in analysis of vehicle–bridge dynamic interaction | |
| CN112836294A (zh) | 一种车辆-轨道耦合动力学模型修正方法 | |
| Cosme et al. | Application of computer aided engineering in the design of heavy-duty truck frames | |
| Zhang et al. | Virtual Proving Ground-an integrated technology for full vehicle analysis and simulation | |
| KR20010010576A (ko) | 차체의 내구력 평가 해석 방법 | |
| Noorbhasha | Computational analysis for improved design of an SAE BAJA frame structure | |
| Baek | Computational life prediction methodology for mechanical systems using dynamic simulation, finite element analysis, and fatigue life prediction methods | |
| Metallidis et al. | Parametric identification and health monitoring of complex ground vehicle models | |
| Xie et al. | Refined Vehicle‐Bridge Interaction Analysis Using Incompatible Solid Finite Element for Evaluating Stresses and Impact Factors | |
| Brennan | Similarity conditions for comparing closed-loop vehicle roll and pitch dynamics | |
| Ensor et al. | Optimising simulation and test techniques for efficient vehicle durability design and development | |
| Pir et al. | Integrated model-based approach for the optimisation of vehicle ride comfort and handling characteristics: integrated vehicle dynamics model design |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |