官 建 雄

(中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司，上海　200070)

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·橋梁·隧道·

基于ANSYS的深水橋墩流固耦合分析方法★

官 建 雄

(中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司，上海200070)

針對(duì)深水橋墩耦合分析的難題，解說了ANSYS中進(jìn)行耦合分析的基本理論，并結(jié)合工程實(shí)例，應(yīng)用命令流方式對(duì)耦合分析的過程進(jìn)行了闡述，該方法為一線技術(shù)人員應(yīng)用ANSYS進(jìn)行耦合分析提供了技術(shù)支持。

深水橋墩，流固耦合，ANSYS，耦合分析

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，特別是最近十年國家對(duì)修建基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入越來越大，跨河、跨江和跨海的大型橋梁建設(shè)越來越多。橋梁作為交通生命線工程，對(duì)交通安全運(yùn)營起到至關(guān)重要的作用。而橋墩一般是建在水中，在環(huán)境荷載的作用下，水體將會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生動(dòng)力作用。從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行分析，橋墩和水體將會(huì)產(chǎn)生流固耦合的作用力，特別對(duì)于深水橋墩，該流固耦合作用力將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。但是，流固耦合作用理論比較復(fù)雜，對(duì)于一線施工的橋梁工作人員很難把該理論應(yīng)用到實(shí)際工程中，但工程建設(shè)又需要工程技術(shù)人員了解和該作用力對(duì)橋梁施工及維護(hù)的影響。為了解決這個(gè)難題，本文開展應(yīng)用有限元軟件ANSYS開發(fā)深水橋墩流固耦合分析的程序，讓一般的技術(shù)人員能夠容易掌握對(duì)深水橋墩流固耦合分析的技術(shù)和方法，為深水橋梁工程的施工和維護(hù)提供技術(shù)支撐。

1　流固耦合分析的基本理論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，流固耦合分析逐漸被廣大研究人員和工程師所重視。流固耦合是固體力學(xué)和流體力學(xué)形成的一門交叉學(xué)科，是研究可變型的固體在流場(chǎng)作用下各種力學(xué)特性，以及固體的力學(xué)特性對(duì)流場(chǎng)的影響二者相互作用的交叉學(xué)科。作為通用的有限元軟件ANSYS可以進(jìn)行流固耦合分析，本文重點(diǎn)介紹如何應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行深水橋墩耦合分析，從而使廣大工程技術(shù)人員可以應(yīng)用ANSYS對(duì)深水橋墩的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)進(jìn)行分析，提高工程的安全保障。

1.1ANSYS中常見海洋結(jié)構(gòu)分析單元

ANSYS對(duì)深水結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，需要選擇合適的ANSYS單元庫中的單元類型來建立實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的有限元模型[1-5]。ANSYS單元庫中常見的能夠模擬水中結(jié)構(gòu)的單元類型有Pipe16，Pipe20，Shell43，Beam4，Mass21，Pipe59和Combin39等單元類型。這些單元的應(yīng)用范圍見表1。

表1　ANSYS中海洋結(jié)構(gòu)物常見單元類型[6，7]

1.2波流作用的荷載模擬

水流荷載產(chǎn)生荷載效應(yīng)有三種運(yùn)動(dòng)形式：第一，結(jié)構(gòu)在靜止的水中運(yùn)動(dòng)；第二，結(jié)構(gòu)靜止在水中，而水流運(yùn)動(dòng)；第三，流體和結(jié)構(gòu)在同一時(shí)間流動(dòng)。波流作用不但包括波浪所激發(fā)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而且還包括波浪下的水流引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以在三維的八個(gè)方向和角度進(jìn)行設(shè)置，臨近的質(zhì)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)方向和速度可以按照直線內(nèi)插法計(jì)算。有限元程序ANSYS中提供了四種方法來對(duì)波浪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行處理的理論方法，具體內(nèi)容可見表2[8-11]。

表2　有限元程序ANSYS中進(jìn)行波浪模擬計(jì)算的理論

有限元軟件ANSYS在模擬波浪動(dòng)力學(xué)分析的過程中，其波浪的高度可以應(yīng)用式(1)進(jìn)行表示：

(1)

STOKES五階波計(jì)算理論是波浪分析中最常用的理論，在ANSYS程序中，對(duì)于波流荷載的選擇，可以在WATER TABLE中定義不同水深的位置的水流的方向和流速，有限元計(jì)算程序ANSYS流體耦合計(jì)算和結(jié)構(gòu)多場(chǎng)計(jì)算比較相似，不同的是在耦合過程中會(huì)生成CFX文件，其流固耦合計(jì)算過程示意圖如圖3所示[9-15]。

在流固耦合計(jì)算過程中，參數(shù)CD和參數(shù)CM在常數(shù)表格中進(jìn)行設(shè)置，除此之外，需要在WATER MOTION TABLE表中定義其他參數(shù)。具體的設(shè)置見ANSYS應(yīng)用說明書。

1.3波浪作用下深水橋墩的動(dòng)力響應(yīng)分析

在有限元ANSYS中，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析具有模擬結(jié)構(gòu)在任意荷載下、任意時(shí)間點(diǎn)上的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的方法。在流固耦合分析過程中，重點(diǎn)分析在流體和結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)過程中，結(jié)構(gòu)在組合荷載下的時(shí)間歷程動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在動(dòng)態(tài)分析的計(jì)算過程中，必須考慮阻尼和慣性力的影響，所以結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程可以用下式表示：

2　工程實(shí)例

利用有限元軟件ANSYS對(duì)一根深水橋墩在特定環(huán)境狀況下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

2.1工程概況

應(yīng)用ANSYS軟件，建立如圖4所示的圓柱形深水實(shí)體橋墩，該橋墩高25 m，直徑4 m，橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，計(jì)算跨度為30 m，計(jì)算高度為3.5 m，混凝土橋梁質(zhì)量為526 000 kg，將其以集中質(zhì)量的形式作用在橋墩的頂部。

2.2計(jì)算分析與結(jié)果

1)計(jì)算流程圖。上述系統(tǒng)的流固耦合分析的耦合分析實(shí)現(xiàn)的過程見圖4。

2)在有限元軟件ANSYS中建立深水橋墩的流固耦合模型，所建立的模型見圖5。

3)固有頻率的前六階計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　計(jì)算耦合結(jié)構(gòu)固有頻率

4)墩頂?shù)奈灰茣r(shí)程曲線見圖6。

3　結(jié)語

通過理論分析和實(shí)例，我們可以看到只要掌握住ANSYS在深水橋墩分析的步驟和重要細(xì)節(jié)，一線工程人員完全可以進(jìn)行深水橋墩的耦合分析，本研究為廣大工程技術(shù)人員提供了重要的技術(shù)參考。

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Fluid solid coupling analysis method in finite element software ANSYS in deepwater pier★

Guan Jianxiong

(Twenty-fourBureauofChinaRailwayGroup,ShanghaiRailwayConstructionEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200070,China)

The aiming at the difficulties of bridge pier coupling analysis, a detailed explanation of the ANSYS to carry out the coupling analysis of the basic theory, and application of the command flow way of coupling analysis of engineering examples are analyzed. The method provides technical support for the coupling analysis of technicians using ANSYS.

deep water pier, fluid solid coupling, ANSYS, coupling analysis

1009-6825(2016)08-0182-03

2015-01-07★：浙江省教育廳科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：Y201223039)

官建雄(1981- ),男，工程師

U442

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