移動車輛沖擊荷載在ABAQUS中的模擬研究

胡興宇

(土木工程學(xué)院（重慶交通大學(xué)）， 重慶 400041)

0 引言

在模擬車輛荷載計算時，移動荷載功能是必不可少的。ABAQUS中用戶界面可以通過在結(jié)構(gòu)表面通過partution命令創(chuàng)建移動荷載的軌跡，通過相鄰的矩形方塊組成，根據(jù)移動的速度和軌跡距離來激活相應(yīng)的矩形方塊荷載，但是如果軌跡長度非常長，會導(dǎo)致工作相當(dāng)繁瑣，分析步可能會成百上千，俗稱“荷載移動帶”。子程序可以完全解決這些問題，并且可以根據(jù)用戶需要的方式繼續(xù)模擬，大大減少了建模時間，計算結(jié)果十分精確，避免了多個分析步造成的錯誤。

1 子程序的編寫

模擬車輛荷載的作用首先需要確定作用面積和速度，然而在ABAQUS軟件中，作用面積是不能直接人為選定的，需要用戶在模擬荷載時簡單創(chuàng)建處荷載整個過程需要經(jīng)過的軌跡，之后只需要在子程序中賦予每一個車輛的長度即可。

Abaqus已經(jīng)可以通過python語言進(jìn)行功能開發(fā)了，但本文采用通用數(shù)學(xué)Fortran語言進(jìn)行編寫。在用戶手冊中，荷載類型主要用DLOAD和UTRACLOAD兩種，在車輛荷載模擬中，DLOAD主要用于模擬車輪豎向荷載，UTRACLOAD用于模擬車輪水平摩擦荷載。

DLOAD和UTRACLOAD編寫格式類似，本節(jié)以

DLOAD為例編寫。

DLOAD實現(xiàn)格式如下：

SUBROUTINE DLOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,

1 COORDS,JLTYP,SNAME)

C

INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

C

DIMENSION TIME(2), COORDS(3)

CHARACTER*80 SNAME

USER’S CODES

RETURN

END

上述代碼中其實部分是子程序的固定模式，F(xiàn)代表的荷載值，KSTEP代表在第幾個分析步時被調(diào)用，KINC即是代表增量步，TIME(1)和TIME(2)分別代表當(dāng)前時間和總時間，這對用戶控制變化荷載極為有用，NOEL和NPT分別代表單元號和積分點號，COORDS（I）用于激活移動荷載的方向，I=1、2、3分別代表下沿x、y、z方向與移動，用戶只用通過IF從句賦予F即可模擬出荷載移動。

2 沖擊荷載模擬

2.1 模型參數(shù)

車輛通過路面或者橋面時，遇到路面不平整將會產(chǎn)生跳車現(xiàn)象，本節(jié)根據(jù)這一現(xiàn)象模擬車輛后輪對橋面板的沖擊進(jìn)行模擬。

模型參數(shù):混凝土材料選用C40，橋面板長為10m，寬為4m，厚度為0.4m，鋼筋采用HRB335，分布在橋面板上層和下層，跳車車輛荷載峰值取30KN，采用文獻(xiàn)中公式推導(dǎo)曲線，作用時間為0.03s。

2.2 模擬沖擊荷載方法

由于跳車荷載時隨著時間不斷變化的，本文通過得到的沖擊荷載曲線進(jìn)行公式擬合，得到相應(yīng)的公式，再通過一下條件語句賦予:

IF((X_NOW.GE.ROLL_1_1).AND.(X_NOE.LE.ROLL_1_0))THEN IF(KSTEP.EQ.1)THEN F=F(t) END IF ELSE F=0.0 END IF

將由于擬合函數(shù)的自變量賦予成時間t，可以實現(xiàn)荷載隨著時間增長而不斷變化，再其余未賦予荷載的路徑上均為0。

由于車輛再行駛過程中沖擊時間很小，其余時間均屬于勻速狀態(tài)，作用在橋面板的荷載時不變動的，需要在REAL關(guān)鍵字賦予相應(yīng)的時間TIME1、TIME2等控制荷載移動過程的時間控制，如下所示實現(xiàn)：

Real*6 TIME1、TIME2、TIME3、V_CAR..

V_CAR=10E3 …

IF((X_NOW.GE.ROLL_1_1).AND.(X_NOE.LE.ROLL_1_0))THEN

IF(KSTEP.EQ.1)THEN

F=0.1

ELSE IF(KSTEP.EQ.2)THEN

F=SIN(2*3.14/0.06*(TIME(2)-0.1)) ！擬合公式

ELSE IF(KSTEP.EQ.3)THEN

F=0.1

END IF ELSE F=0.0 END IF

上述可以實現(xiàn)車輛勻速過程中突然的跳車沖擊，但需要用戶在step中賦予三段分析步來描述不同荷載作用狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 加速度分析

計算過程采用動力隱式模塊進(jìn)行求解，三個分析步分別設(shè)置為0.1s、0.03s和0.87s，經(jīng)計算得到跳車時橋面板跨中的加速度時程曲線。

根據(jù)結(jié)果得知，車輛荷載在開始到0.1s是勻速前進(jìn)，到達(dá)0.1s時發(fā)生跳車現(xiàn)象，跨中豎向加速度增大，振動響應(yīng)劇烈，0.13s之后，隨著車輛繼續(xù)行駛，加速度開始下降，振動趨勢穩(wěn)定至0.5s，此時車輛荷載到達(dá)跨中，此處由于車輪駛過加速度曲線較為密集，0.5s后加速度值逐漸減小。可知子程序模擬移動沖擊荷載是有效可行的。

3.2 應(yīng)力分析

從odb文件中提取得到橋面板的等效應(yīng)力云圖，是可以明顯看出車輛沖擊的部位出現(xiàn)了明顯的壓應(yīng)力，其值為0.2MPa左右。

4 小結(jié)

本文主要介紹了DLOAD子程序的編寫和運行過程，UTRACLOAD使用方法與其類似，ABAQUS平臺提供了非常人性化的界面與命令，用戶可以根據(jù)自己的需要對子程序進(jìn)行編寫。通過全文的簡單介紹得到了一下幾點結(jié)論：

1）子程序的使用替代了傳統(tǒng)的“荷載移動帶”的方法，為設(shè)計節(jié)約了時間，同時減少了錯誤的發(fā)生，是種有效可行的方法。

2）通過Fortran語言可以解決大部分用戶的需求，本文只模擬了一對車輪荷載，如果需要模擬多對車輪荷載，需要對代碼進(jìn)行補充，引入DISTANCE_ROLL參數(shù)來賦予前后車輪邊之間的距離，便可以實現(xiàn)多個荷載模擬。

3）本文編寫的子程序只對靜力通用和動力隱式分析有效，但對于動力顯示是無效的，由于隱式和顯示的求解方程不同，導(dǎo)致子程序格式有些差異。

綜上所述，ABAQUS平臺功能強大，需要用戶對編程語言較為熟悉，這樣才能將許多繁瑣的工作變得簡單。