基于ANSYS的深水橋墩流固耦合分析方法★

官 建 雄

(中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海　200070)

?

·橋梁·隧道·

基于ANSYS的深水橋墩流固耦合分析方法★

官 建 雄

(中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海200070)

針對深水橋墩耦合分析的難題，解說了ANSYS中進行耦合分析的基本理論，并結合工程實例，應用命令流方式對耦合分析的過程進行了闡述，該方法為一線技術人員應用ANSYS進行耦合分析提供了技術支持。

深水橋墩，流固耦合，ANSYS，耦合分析

0　引言

隨著經濟和社會發展，特別是最近十年國家對修建基礎設施建設的投入越來越大，跨河、跨江和跨海的大型橋梁建設越來越多。橋梁作為交通生命線工程，對交通安全運營起到至關重要的作用。而橋墩一般是建在水中，在環境荷載的作用下，水體將會對橋墩產生動力作用。從動力學角度進行分析，橋墩和水體將會產生流固耦合的作用力，特別對于深水橋墩，該流固耦合作用力將對橋梁結構產生重要的影響。但是，流固耦合作用理論比較復雜，對于一線施工的橋梁工作人員很難把該理論應用到實際工程中，但工程建設又需要工程技術人員了解和該作用力對橋梁施工及維護的影響。為了解決這個難題，本文開展應用有限元軟件ANSYS開發深水橋墩流固耦合分析的程序，讓一般的技術人員能夠容易掌握對深水橋墩流固耦合分析的技術和方法，為深水橋梁工程的施工和維護提供技術支撐。

1　流固耦合分析的基本理論

隨著計算機技術的不斷發展，從20世紀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和流體力學形成的一門交叉學科，是研究可變型的固體在流場作用下各種力學特性，以及固體的力學特性對流場的影響二者相互作用的交叉學科。作為通用的有限元軟件ANSYS可以進行流固耦合分析，本文重點介紹如何應用ANSYS軟件進行深水橋墩耦合分析，從而使廣大工程技術人員可以應用ANSYS對深水橋墩的設計、施工和維護進行分析，提高工程的安全保障。

1.1ANSYS中常見海洋結構分析單元

ANSYS對深水結構進行計算分析時，需要選擇合適的ANSYS單元庫中的單元類型來建立實際工程結構的有限元模型[1-5]。ANSYS單元庫中常見的能夠模擬水中結構的單元類型有Pipe16，Pipe20，Shell43，Beam4，Mass21，Pipe59和Combin39等單元類型。這些單元的應用范圍見表1。

表1　ANSYS中海洋結構物常見單元類型[6，7]

1.2波流作用的荷載模擬

水流荷載產生荷載效應有三種運動形式：第一，結構在靜止的水中運動；第二，結構靜止在水中，而水流運動；第三，流體和結構在同一時間流動。波流作用不但包括波浪所激發的質點運動，而且還包括波浪下的水流引起的質點運動。質點的運動可以在三維的八個方向和角度進行設置，臨近的質點間的運動方向和速度可以按照直線內插法計算。有限元程序ANSYS中提供了四種方法來對波浪的運動進行處理的理論方法，具體內容可見表2[8-11]。

表2　有限元程序ANSYS中進行波浪模擬計算的理論

有限元軟件ANSYS在模擬波浪動力學分析的過程中，其波浪的高度可以應用式(1)進行表示：

(1)

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

在流固耦合計算過程中，參數CD和參數CM在常數表格中進行設置，除此之外，需要在WATER MOTION TABLE表中定義其他參數。具體的設置見ANSYS應用說明書。

1.3波浪作用下深水橋墩的動力響應分析

在有限元ANSYS中，結構的動力響應分析具有模擬結構在任意荷載下、任意時間點上的動力學響應的方法。在流固耦合分析過程中，重點分析在流體和結構耦合振動過程中，結構在組合荷載下的時間歷程動態響應。在動態分析的計算過程中，必須考慮阻尼和慣性力的影響，所以結構耦合動力響應的動力學方程可以用下式表示：

2　工程實例

利用有限元軟件ANSYS對一根深水橋墩在特定環境狀況下的結構進行瞬態動力學分析。

2.1工程概況

應用ANSYS軟件，建立如圖4所示的圓柱形深水實體橋墩，該橋墩高25 m，直徑4 m，橋梁為預應力混凝土簡支梁，計算跨度為30 m，計算高度為3.5 m，混凝土橋梁質量為526 000 kg，將其以集中質量的形式作用在橋墩的頂部。

2.2計算分析與結果

1)計算流程圖。上述系統的流固耦合分析的耦合分析實現的過程見圖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算結果見表3。

表3　計算耦合結構固有頻率

4)墩頂的位移時程曲線見圖6。

3　結語

通過理論分析和實例，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節，一線工程人員完全可以進行深水橋墩的耦合分析，本研究為廣大工程技術人員提供了重要的技術參考。

[1]劉濤.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[3]龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析[M].北京：機械工業出版社，2003.

[4]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].第2版.北京：中國水利水電出版社，1998:3-15.

[5]李權.ANSYS在土木工程中的應用[M].北京：人民郵電出版社，2005:10-18.

[6]盛和太.ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M].北京：清華大學出版社，2006：7-60.

[7]任重.ANSYS實用分析教程[M].北京：北京大學出版社，2003.

[8]譚建國.使用ANSYS 6.0進行有限元分析[M].北京：北京大學出版社，2002.

[9]洪慶章,劉清吉,郭嘉源.ANSYS教學范例[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[10]劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002.

[11]易日.使用ANSYS 6.0進行靜力學分析[M].北京：北京大學出版社，2002.

[12]唐興倫.ANSYS工程應用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[13]劉國慶,楊慶東.ANSYS工程應用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[14]易日.使用ANSYS 6.1進行結構力學分析[M].北京：北京大學出版社，2002.

[15]龔曙光.ANSYS工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社，2003.

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目(項目編號：Y201223039)

官建雄(1981- ),男，工程師

U442

A