本發(fā)明涉及橋梁工程設(shè)計和振動仿真領(lǐng)域，具體涉及到一種適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法。

背景技術(shù)：

1、索道橋被廣泛應(yīng)用于在山區(qū)峽谷這類復(fù)雜地形的高速公路、鐵路和水電站工程建設(shè)中，是一種跨越能力強(qiáng)、成本低廉、施工便捷的橋梁結(jié)構(gòu)。索道橋的主要承重構(gòu)件為鋼絞線或者高強(qiáng)鋼絲繩，具有非線性特性，橋梁整體剛度較柔、頻率較低，在偏心荷載、風(fēng)荷載、人群規(guī)律踏步等作用下，極易產(chǎn)生空間扭轉(zhuǎn)振動，對索道橋結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重威脅。

2、目前，在大多數(shù)設(shè)計中經(jīng)常忽略扭振耦合的情況，僅將纜索作為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，因此設(shè)計較為保守，無法更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能；而采用理論解析法求解此類空間扭轉(zhuǎn)振動問題，假設(shè)條件和變量多，公式繁雜，適用性較為有限；向量式有限元將結(jié)構(gòu)形態(tài)離散為一個用無質(zhì)量的單元相互連接的質(zhì)點(diǎn)群，以物理模式來描述結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，無需計算整體剛度矩陣，避免了傳統(tǒng)有限元的矩陣奇異問題，適用于進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)的空間非線性計算，大大降低了此類空間扭振問題的求解難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種仿真精度高、易于開發(fā)的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，降低橋梁工程設(shè)計、施工及運(yùn)維中分析空間扭振問題的難度，為減振模擬分析提供可靠高效的技術(shù)保障。

2、本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的。

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，該仿真方法包括以下步驟：

4、步驟1、根據(jù)索道橋布置信息，建立索道橋向量式有限元三維空間模型，進(jìn)行前處理操作；

5、步驟2、導(dǎo)入環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真荷載工況；

6、步驟3、定義積分時程與步長，在每一個積分步長內(nèi)對索道橋向量式有限元模型進(jìn)行位移和內(nèi)力的迭代求解；

7、步驟4、判斷積分終止條件是否滿足，若所述積分終止條件滿足，則執(zhí)行步驟3，否則重復(fù)步驟5；

8、步驟5、輸出索道橋的空間扭振仿真數(shù)據(jù)；

9、作為優(yōu)選，步驟1中，所述建立索道橋向量式有限元三維空間模型，進(jìn)行前處理操作，包括：

10、步驟1.1、將索道橋離散為用無質(zhì)量單元連接的質(zhì)點(diǎn)群，每個質(zhì)點(diǎn)的空間位置用該質(zhì)點(diǎn)沿整體坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向的線位移和角位移來表示，公式為：

11、x＝{x1,n；x2,n；...；xn,n}＝{(x1,y1,z1)；(x2,y2,z2)；...；(xn,yn,zn)}

12、θ＝{θ1,n；θ2,n；...；θn,n}＝{(θx1,θy1,θz1)；(θx2,θy2,θz2)；...；(θxn,θyn,θzn)}

13、步驟1.2、獲取相關(guān)組成構(gòu)件的材料特性，如截面積、材料密度、彈性模量、阻尼系數(shù)；根據(jù)索道橋不同受力構(gòu)件選用無質(zhì)量單元類型，拉索采用桿單元，橫梁采用梁單元；定義系統(tǒng)阻尼系數(shù)、各質(zhì)點(diǎn)在初始時刻t0的線位移xn,0、初始速度初始加速度角位移θn,0、初始角速度初始角加速度質(zhì)點(diǎn)軸力fxn,0和外部軸力pxn,0、質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn,0和外部彎矩pmn,0；

14、作為優(yōu)選，步驟2中，導(dǎo)入環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真荷載工況包括：

15、步驟2.1、收集工程所在地區(qū)相關(guān)監(jiān)測或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如風(fēng)速譜、地震譜、降雨(雪)統(tǒng)計、季節(jié)溫度曲線、車流量等，根據(jù)計算需要選取相應(yīng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真荷載工況，生成荷載時程數(shù)據(jù)；

16、步驟2.2、根據(jù)荷載分布特征，將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)點(diǎn)外力，隨后分配至各個質(zhì)點(diǎn)，組集成外力pn,n矩陣；

17、作為優(yōu)選，步驟3中，所述迭代求解包括：

18、步驟3.1、采用中心差分法作為向量式有限元分析過程中的積分方法，根據(jù)時刻tn的質(zhì)點(diǎn)空間位置xn,n和θn,n、質(zhì)點(diǎn)軸力fxn,n、質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn,n、外部軸力pxn,n和外部彎矩pmn,n求解時刻tn+1的質(zhì)點(diǎn)空間位置xn,n+1和θn,n+1；

19、步驟3.2、由虛擬的逆向運(yùn)動和虛功原理求解各質(zhì)點(diǎn)在時刻tn+1的質(zhì)點(diǎn)軸力fxn,n+1和質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn,n+1；

20、作為優(yōu)選，步驟3.1中，采用中心差分法作為向量式有限元分析過程中的積分方，根據(jù)時刻tn的質(zhì)點(diǎn)空間位置xn,n和θn,n、質(zhì)點(diǎn)軸力fxn,n、質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn,n、外部軸力pxn,n和外部彎矩pmn,n求解時刻tn+1的質(zhì)點(diǎn)空間位置xn,n+1和θn,n+1，表示為：

21、

22、其中，mn為質(zhì)點(diǎn)n的質(zhì)量；為質(zhì)點(diǎn)n的慣性矩；h為積分步長；xn,n-1和θn,n-1為質(zhì)點(diǎn)在時刻tn-1的空間位置；c為索道橋向量式有限元模型中的阻尼系數(shù)矩陣。

23、作為優(yōu)選，步驟3.2中，所述由虛擬的逆向運(yùn)動和虛功原理求解各質(zhì)點(diǎn)在時刻tn+1的質(zhì)點(diǎn)軸力fxn,n+1和質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn,n+1，表示為：

24、

25、其中，i和j分別表示無質(zhì)量單元兩端所連接的兩個質(zhì)點(diǎn)的編號；num表示連接質(zhì)點(diǎn)n的無質(zhì)量單元總個數(shù)；fe為無質(zhì)量單元產(chǎn)生的內(nèi)力。

26、當(dāng)計算軸力時，計算彎矩時，計算扭矩時，

27、其中e表示連接單元的彈性模量，g表示連接單元的剪切模量，a表示連接單元的截面積，i表示連接單元的相應(yīng)截面慣性矩，a和b表示需要根據(jù)梁的邊界條件確定的彎矩計算系數(shù)。

28、第二方面，提供了一種計算機(jī)存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)存儲介質(zhì)內(nèi)存儲有計算機(jī)程序；所述計算機(jī)程序在計算機(jī)上運(yùn)行時，使得計算機(jī)執(zhí)行第一方面任一所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法。

29、第三方面，提供了一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)所述計算機(jī)程序產(chǎn)品在計算機(jī)上運(yùn)行時，使得計算機(jī)執(zhí)行如第一方面任一所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法。

30、本發(fā)明的有益效果在于：(1)該仿真方法基于向量式有限元無需組集整體剛度矩陣的特點(diǎn)，降低了索道橋此類柔性結(jié)構(gòu)大變形、空間扭轉(zhuǎn)振動問題的求解難度；(2)該方法相較于理論解析法和傳統(tǒng)有限元法，簡化了建模和求解過程，向量式有限元易于編程，可將該方法推廣至針對不同環(huán)境特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特性和荷載組合下的結(jié)構(gòu)空間振動問題；(3)該方法廣泛適用于索道橋及其他以拉索為承載構(gòu)件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間扭振仿真，為過程設(shè)計、施工、運(yùn)維中的監(jiān)測及減振分析搭建了平臺。

技術(shù)特征：

1.一種適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，其特征在于，步驟1中，所述建立索道橋向量式有限元三維空間模型，進(jìn)行前處理操作，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，其特征在于，步驟2中，所述導(dǎo)入環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真荷載工況，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，其特征在于，步驟3中，所述迭代求解包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，其特征在于，步驟3.1中，采用中心差分法作為向量式有限元分析過程中的積分方法，根據(jù)時刻tn的質(zhì)點(diǎn)空間位置xn,n和θn，n、質(zhì)點(diǎn)軸力fxn，n、質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn，n、外部軸力pxn,n和外部彎矩pmn，n求解時刻tn+1的質(zhì)點(diǎn)空間位置xn,n+1和θn,n+1，表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，其特征在于，步驟3.2中，所述由虛擬的逆向運(yùn)動和虛功原理求解各質(zhì)點(diǎn)在時刻tn+1的質(zhì)點(diǎn)軸力fxn,n+1和質(zhì)點(diǎn)彎矩fmn，n+1，表示為：

7.一種計算機(jī)存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機(jī)存儲介質(zhì)內(nèi)存儲有計算機(jī)程序；所述計算機(jī)程序在計算機(jī)上運(yùn)行時，使得計算機(jī)執(zhí)行權(quán)利要求1至6任一所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法。

8.一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，當(dāng)所述計算機(jī)程序產(chǎn)品在計算機(jī)上運(yùn)行時，使得計算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求1至6任一所述的適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于復(fù)雜環(huán)境的索道橋空間扭振仿真方法，該方法包括以下步驟：1)建立索道橋向量式有限元三維空間模型；2)導(dǎo)入環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，定義仿真工況；3)通過在每個積分步長內(nèi)迭代求解模型位移和內(nèi)力，完成索道橋的空間扭振仿真。本發(fā)明有益的效果：該仿真方法基于向量式有限元無需組集整體剛度矩陣的特點(diǎn)，降低了索道橋此類柔性結(jié)構(gòu)大變形、空間扭轉(zhuǎn)振動問題的求解難度；該方法相較于理論解析法和傳統(tǒng)有限元法，簡化了建模和求解過程，向量式有限元易于編程，可將該方法推廣至針對不同環(huán)境特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特性和荷載組合下的結(jié)構(gòu)空間振動問題。

技術(shù)研發(fā)人員：黃嘉思,糜徑超,郭鑫,李毅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6