基于ANSYS平台的桥梁时域颤振分析.pdf

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1、第28卷第4期土木工程：与管理学报Vo1．28No．42011年l2月JournalofCivilEngineeringandManagementDec．2011基于ANSYS平台的桥梁时域颤振分析卿前志(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)摘要：实现桥梁颤振时域分析的关键问题在于气动自激力的时域化。本文首先采用脉冲响应函数结合Roger有理函数对结构断面自激力进行表达，给出了有理函数参数的拟合原理。基于最小二乘拟合原理进行了有理函数参数拟合，并对模拟准确性进行了校核，继而给出时域颤振动力有限元分析过程中断面白激力的递推表达式

2、。随后利用大型商用有限元分析软件ANSYS的二次开发功能，通过编写APDL语言在ANSYS中实现颤振时域分析。最后以一简支梁为例介绍了在ANSYS中实现颤振时程分析的过程，数值算例计算结果和相关文献中报道基本一致。本文研究表明，利用ANSYS二次开发平台进行桥梁气动稳定性能的时域分析是可行的，这一方法可为桥梁结构的颤振稳定性分析提高效率。关键词：ANSYS；有理函数；颤振；时域；自激力中图分类号：TU311．3文献标识码：A文章编号：2095-0985(2011)04-0061-04随着桥梁结构跨径的日益增加，结构的颤振模拟。本文采用第一种形式，首先

3、得到桥梁断稳定性能成为设计过程中重要的控制因素之一。面的脉冲响应函数所表达的气动自激力，再对其对结构颤振稳定性能研究的主要目的是确定结构进行动力有限元求解。的颤振临界状态，揭示颤振发生的机理，从而保证由于ANSYS软件具有良好的二次开发功能，结构的抗风稳定性。目前评价桥梁的颤振性能主可以应用于桥梁频域颤振分析中，但相关文献要有三种方法，即经典理论法、风洞试验测试法和对ANSYS应用于桥梁时域颤振分析的报道较少。试验加理论法’。文献[8]中虽然提出了一种在ANSYS中实现颤至今为止，结构颤振分析求解方法包含频域振时程分析的方法，但是，其必须同时对频率和

4、风和时域两大类方法。频域范围内对颤振问题进行速进行搜索，因此实质上仍然是一种频域方法。求解的基本思路为：首先将气动力用Scanlan自本文提供了在ANSYS中实现颤振时程分析的另激力表达式进行表达，然后通过求解结构运动一方法，在瞬态动力学分析过程中嵌入气动自激特征方程得到结构颤振临界风速和颤振频率。频力的递推算法来考虑其运动状态历史记忆特性，域分析属于线性分析方法，与之相比，时域分析能得到结构的颤振临界风速。本文的方法也适合其方便地考虑各类非线性因素的影响，并反映结构他风振问题，如颤抖振时域分析中的气动自激力在颤振后的振幅演变规律，有利于基于过程性能

5、模拟。的桥梁气动性能研究，因而近年来发展迅速。在时域范围对桥梁颤振稳定性进行求解首先需要得1气动自激力脉冲响应函数表达到时域化的气动自激力表达式，再在动力有限元中进行求解。对于明显存在流动分离的钝体结构体系的运动方程为：桥梁断面而言，以颤振导数表示的自激力是一种[M]{}+[c]{血}+[K]{}={F。}(1)时频混合表达式，通常不能直接用于时域颤振分式中[]、[C]、[]分别为结构质量矩阵、阻尼析，需要转换成等效的时域表达。目前，颤振时域矩阵和刚度矩阵，{，}为结构上受到的荷载列向分析气动力的表达方法有两种。其一是通过脉冲量，当用于颤振分析时，其

6、可以用气动自激力的形响应函数结合有理函数进行表达，；其二是采式表达。忽略断面侧向振动的影响，断面单位长用阶跃函数结合桥梁断面的气动导数进行自激力度气动自激力可采用如下形式：收稿日期：2011-06—12修回日期：2011-08—22作者简介：卿前志(1985．)，男，湖南邵阳人，助理工程师，硕士，研究方向为桥梁结构(Email：qqz239@126．corn)·62·土木工程与管理学报L=都是待拟合的参数。第一项和第二项分别表不由位移项引起的气动力和速度项引起的气动力，第B+KH；+H；仪+H三项表示由加速度项引起的气动力，该项通常较(2)小而被忽略

7、，第四项用于描述滞后于速度项的气M=动力非定常部分，m的大小决定了这种近似的精曰[告+KA2Bd++K2A4百h]度和附加方程的数量，所有这些参数可以通过试验提取的颤振导数进行非线性拟合而确定]。(3)当得到有理函数的相关系数后，对式(10)做式中P为空气密度，为来流风速，K=／为傅里叶变换，可得到脉冲响应函数的表达式：折算频率，B为断面宽度；(i=1～4)、A(i=1Ith()=Athl~()+ABa()+～4)为颤振导数，通常可通过风洞试验进行识别得到；、c2分别表示对时间t的导数。从式(2)、式(3)可以看出，气动自激力是折算频率K及风)一U唧

8、(一)(11)速的函数。代入式(4)中，有：当采用脉冲响应函数对断面自激力进行表达L。h(t)=时，同样，忽