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01| 桥动缘起于风

悬索桥以高强度悬索为主要承重构件，具有跨越能力大、受力合理、造价经济的特点。但因其跨度一般较大，结构偏柔，对风的作用更加敏感，风荷载在设计中往往起控制作用。历史上最著名的悬索桥因风振而破坏的案例要数塔科马海峡大桥了。该桥1940年7月通车四个月后，就在18m/s的风速下扭曲振动而破坏。后续的调查分析显示，卡门涡街是造成这次事故的根本原因。

流体绕过物体时，在物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋，因著名力学家冯•卡门而得名卡门涡街。空气流过烟囱、高层建筑时，都会产生卡门涡街。本次事故也引发了人们对桥梁、建筑等风致振动问题的广泛研究。

图1：卡门涡街

桥梁、建筑等结构的风振分析非常重要，达索系统SIMULIA的XFlow和Abaqus在这类流体和结构仿真方面都有很多应用。

02丨气动和结构振动分析

XFlow采用格子玻尔兹曼算法，结合大涡模拟，高保真的预测瞬态流动。技术优势在于前处理不需要对流体域进行网格划分，同时表面复杂的几何不再是限制因素，只需设置网格尺寸，全六面体格子可保证网格质量，节省大量前处理时间。XFlow模拟真实的的几何运动，独特的自适应网格细化算法能方便的处理运动几何体壁面附近、尾涡，交界面等压力梯度较大的区域。

桥梁的最终破坏往往是因为结构振幅过大。Abaqus提供线性、非线性多种算法可以计算桥梁的动力学响应：

另外，XFlow和Abaqus拥有良好的接口，可以进行联合仿真：XFlow计算流场，将涡流载荷传递给Abaqus，Abaqus计算得到桥梁在风振下的结构变形，随后返回给XFlow，如此循环……流场无需网格划分，流固耦合计算具有得天独厚的优势。通过这样实时的数据交互，使真实再现桥梁结构的破坏过程成为可能。

03丨悬索桥风致侧向扭转屈曲分析

悬索桥是目前跨度最大的桥梁结构形式，跨度从几百米到上千米。悬索桥跨度的大幅度增加带来的主要问题是结构刚度的显著下降，这使得风致振动成为结构安全性的主要因素，其中桥梁颤振稳定性是影响风振性能的关键因素。

图2：日本明石海峡大桥

日本明石海峡大桥是世界上最大跨径的悬索桥，主跨度1991m，风致稳定性分析非常重要，分析涉及高度非线性。Abaqus被用来进行该桥的侧向扭振屈曲分析。（该分析来源于SIMULIA全球年会论文，由横滨国立大学Ishihara等人完成）

分析中索塔采用B31H单元，主索和吊索采用T3D2H单元。计算共有两个分析步，第一分析步为自重加载，第二分析步为风荷载。风荷载数值随桥面的扭转而变化，数值关系由风洞试验确定。

图3：日本明石海峡大桥有限元模型

采用Abaqus/Standard求解，风荷载作用下的桥面转角随风速变化曲线如下图所示，桥面扭转角并没有随风速增加而出现突然增加，表明该桥未发生侧向扭转屈曲。

图4：桥面扭转角结果

04| 小结

大跨度桥梁的风振不仅影响行车的舒适性，甚至会引发整个桥梁的破坏，数值仿真是研究此类问题的重要手段。在达索系统3DEXPERIENCE体验平台上，不仅在桥梁仿真领域，借助SIMULIA能够涵盖从成桥状态、各类静动力特性、车桥耦合振动、稳定性等整体分析，到局部细节模型计算；而且在三维设计阶段，借助CATIA能够完成特大型复杂结构桥梁和常规桥梁在不同设计阶段、不同LOD等级和精细程度的三维模型设计，设计数据在平台内无损传递，实现CAD模型数据与CAE仿真分析一体化。

图5：CATIA参数化三维设计

图6：台湾淡江大桥

图7：三维模型CAD to 仿真分析CAE

Abaqus 2022版新功能

达索系统SIMULIA Abaqus是一款功能强大的工程仿真模拟软件，其计算专长覆盖从简单的线性分析到复杂的非线性问题。与此同时，Abaqus拥有丰富的单元库和材料模型库，可以模拟典型工程材料在特殊工况下的材料性能，如钢材抗疲劳能力、混凝土受压能力、建筑物抗震性能等。作为通用仿真分析软件，Abaqus除了解决大量结构应力/应变问题，还可以应用于解决其他工程领域问题，如热力耦合分析、声场分析、边坡稳定性分析、储液罐罐壁变形分析等。

SIMULIA Abaqus 2022x最新版本，其中最新变化面向基础设施行业用户覆盖6大专题、31条重要功能增强。

Abaqus R2022x主要特点

1.Abaqus/CAE的功能增强

主要体现在网格&几何、Query查询、建模、材质、接触及其属性、作业与优化、窗口可视化等方面。

2.Abaqus非线性力学的功能增强

在2022x版中覆盖变化较多，包括全刚度耦合的通用截面Beam单元、Connector塑性、伴随设计灵敏性、多工况分析中温度加载、断裂与疲劳等功能增强。

3.线性分析的功能增强

其中，线性动力学的功能增强体现在模态分析中增加了Connector单元的输出，提高了响应谱分析性能，并加强了随机响应分析；线性方程及迭代求解器的功能增强体现在使用AWS解决大规模的特征问题，并实现AWS特征求解器的GPU加速和迭代求解器的功能增强。

4.子结构的功能增强

这个版本对子结构数据库功能进行了重大的重新设计；此外，使用直接稳态动力学分析和子结构生成分析的组合定义基于频率的子结构。

5.接触和约束的功能增强

Abaqus/ Standard和Abaqus/ Explicit中的部分功能解决了之前版本的稳定性、精准性和易用性问题。同时，引用了一些新的方法以提升仿真性能。

6.Abaqus/Explicit的技术和性能功能增强

主要涉及Co-simulation和Hybrid Message Parallelism (HMP)并行功能增强。

CATIA 2022版新功能

CATIA是全球出色的产品设计与体验解决方案。过去几十年中，达索系统旗下品牌产品CATIA被各个行业广泛采用，覆盖了我们日常生活的方方面面，包括飞机、汽车、船舶、建筑乃至饮料瓶等。在基础设施行业，伴随“数字孪生”概念的兴起，三维协同设计、参数化建模的呼声越来越高，新技术、新范式也逐步改变了项目所有利益相关方看待“模型”的思维。人们开始希望实现从传统二维图档交付到全三维数据交付的转变。

CATIA 2022x最新版本，其中最新变化面向基础设施行业用户主要涉及地形设计、线路设计、钢筋设计、钢结构设计、数字城市、数据接口等方面。

CATIAR2022x主要特点

2.1设置坐标系

在设置坐标系时，可以借助助手调整坐标系；同时，支持创建复合地理坐标系，并调整平面和高程的坐标参数；此外，可以通过查看器查询相应坐标系参数。

2.2地形设计

围绕着大点云数据的多专业协同设计增强，各专业可以依据线路为总体，在大点云数据中提取沿线各自设计的地形范围，将该范围地形自动提取转换为可以进行运算的三维地形面；

地形与既有构筑物（如建筑物、地形、涵洞等），可以根据设计需要，以相交或轮廓的形式，直观展现在纵断面中；

支持多种图片格式。同时，用户可以设置图片显示的质量，选择是否加载贴图，增强地形贴图显示精度。

2.3路线设计

支持多视窗联动模式，包括平面设计和纵断面设计；

对于基本线元里程碑，支持多种缓和曲线线型，包括回旋线、三次抛物线、余弦线、正弦线、Bloss型；

对于交点法设计里程碑，支持更多的平曲线组合形式，包括S型、卵型、回头曲线、交点拆分/合并；而在纵断面组合形式，也支持了基本型；

根据用户需要，自定义线路关键信息的显示，更加贴合专业需求的显示关键设计信息；

支持全线交互漫游，在线路或整个项目完成之后，可以一键进行交互漫游，实时切换不同视角、切换不同车道、调整车辆速度，同时还可对停车视距等相关线路指标进行动态检查。

2.4道路设计

全新专业的横断面设计创建工具，更加便捷的设计横断面各个构件（边坡、路基层、排水结构），用户可针对项目场景，按构件组装装配整体横断面模板，并且为每个构件单独设置触发规则，比如：填方时，设置排水沟以及硬路肩石。

新的横断面模板将作为专门的特征在结构树上进行组织与管理，用户可直接在结构树上调取进行三维路基的实例化使用。

支持多个道路连接合并，如仅路基层合并和仅土方合并。

2.5全新的土木结构详细设计APP

针对结构详细设计（钢筋、钢结构），为土木工程师以及建筑设计工程师角色，设计了新的APP，即Civil Structures Engineering。后续会将传统钢结构设计模块SDD、钢结构节点设计模块SCD、紧固件设计模块FST以及钢筋设计模块统一纳入。

2.6建筑结构设计

主要体现在了型材库的创建，以及BDS到SDD转换。

2.7钢筋设计

全新设计的钢筋用户界面，更加贴近用户的设计体验。新增了平行钢筋的创建，支持任意截面切分钢筋，以及钢筋的交错搭接。支持封装针对构件（如：桥墩、桩基等）的钢筋模板，并且箍筋随主筋变化而更新。

同时，钢筋弯折标准内嵌至平台，为设计至施工的衔接奠定基础。

2.8桥梁助手

在新版本中支持三维布跨输入跨径组合、参数Excel表驱动孔跨布置、参数Excel表驱动桥梁参数、孔位标记和缺乏输入提醒。

2.9通用基础功能

在标志标牌设计中，参数化文字、标志设计功能得到了增强；

支持Excel表格关联创建轴系阵列，数据驱动轴系位置的变化。可以通过坐标点、桩号点、任意点等方式创建表格，表格内容可再次编辑，三维数据同步更新。

2.10数字城市

支持CATIA与3DEXPERIENCity平台的数据衔接。

2.11数据接口

支持多种数据传递（如LandXML）以及IFC属性（如IFC Rail、IFC Rebars、IFC for Design）的扩展。

如果您对工程仿真模拟软件SIMULIA Abaqus或者产品设计与体验解决方案CATIA感兴趣，欢迎关注“艾三维技术”微信公众号，联系我们。