橋梁抗風(fēng)性能仿真解讀

1、圖1.1位重型支援橋某工作狀態(tài)模型利用CFD-ACE1行橋梁抗風(fēng)性能仿真一、計算實例簡述本計算實例為重型支援橋假設(shè)時三個階段的風(fēng)橋耦合仿真。其模型結(jié)構(gòu)如圖所示：eyi前期使用GEO瞰件進行模型建立，網(wǎng)格劃分等工作，并把此計算案例分為三個域進行計算：1號域為橋體本身；2號域為橋體附近的空氣流域；3號域為橋體遠方的空氣流域。為了提高計算效率以及計算精確度，則需要在1號和2號域中網(wǎng)格相比3圖1.2域1和域2示意圖號域中更為精密。下圖為三個域的示意圖。其中如圖1.2所示，實體橋結(jié)構(gòu)內(nèi)部為1號域，橋體周圍的立方六面體（紫色六面體）到橋表面之間的空間為2號域。圖1.33號域示意圖3號域為最大的立方六面體到

2、中間的立方六面體之間的空間、操作界面介紹打開CFD-ACE其工作界面如下圖所示:尸Gun口7豆|AAKpCUMri I Ujlw4 m IEVE3 nF - N Hs4 * 串 * * IM F . 0“ + M + 4 叮 g | g | gu | DC | 父 | m |MwiuiwwP n* Hwi rnmlvr iIImhI設(shè)JH面扳F rfcfWU! rruiM-r ChMiFA!的貨 IOwiiF Umk 51Ml iScilri r XMcniRMj r r IAmhi 3infchiMi F rrM SbrhrCH r FM-nfald nj-dli iN SuhsP 41 r

3、id De Icfwmm infita rrr I r fz i Elvaric iElKirl r 3gmk 隍qu r iO*ris r sEDwt.ffWT-niil Bevern4.T! Saw9DcL2加皿2川I則-IrivortHKkGumpChiq1iiZJFt-jU-hJAr#=1)mhHsgHNiapi,_di上J圖2CFD-ACE軟件工作界面其主要分為菜單區(qū)、實體（域）顯示區(qū)域、設(shè)置面板、操作對象選擇區(qū)等四個部分1 .菜單區(qū)File、Edit、View、Units、Tool、Windows分別為基本操作的操作菜單。度q圖mI為文件打開、存儲、撤銷快捷按鈕。力：為控制模型顯示

4、方式的選項按鈕，其中可選擇模型的可視角度、透明度、陰影等。|2q0日|”四對為cfd-ACE計算過程中對計算仿真過程或者結(jié)果操作的按鈕。其功能有時時觀察收斂曲線、打開與其關(guān)圖2.1.1菜單區(qū)工作界面2 .實體（域）顯示區(qū)域圖2.2.1實體（域）顯示區(qū)域其操作方式主要為鼠標(biāo)操作，其中鼠標(biāo)左鍵功能為拖動，鼠標(biāo)右鍵功能為旋轉(zhuǎn)，滾輪功能為放大。同時可以通過此區(qū)域進行操作對象的選擇3 .操作對象區(qū)域此區(qū)域為操作對象選擇區(qū)域，方便對其進行選擇，選擇后，被選部分會在實體顯示區(qū)域顯示。然后進行相關(guān)操作GenwtryTree冥Bjnda*yNameBCTyiwKSubType小串nkedCeetHZoneKey

5、口All口FavoritH0Block套Fluid9&didBC-c國，口GenJ.nterfareGe.l &e心1gliNo-SlipGeM &ct_3胃MlNo-SlipGen_Jginnle選才Opopen-打開相應(yīng)文件，或者直接點擊料UHJ-ACLULC;PLAbndge.4gongkuang-12UUIiuti-5.4.DIb-11 j|e Edit ViEiw Units To&li Window圖3.1.1 打開open圖3.1.2選擇打開文件 e :f d舉亞母父寶 。, Li R3, 蟲 司內(nèi)當(dāng)2、選擇設(shè)置面板中的PT選項，其名果如圖3.2.1O圖3.2.1 PT設(shè)置版面P

6、T(problemtype)為問題類型設(shè)置面板，跟據(jù)特定的仿真實例選擇相應(yīng)的計算模塊，進而求解。其中，F(xiàn)low為流體動力學(xué)模塊；HeatTransfer為傳熱輻射模塊；Turbulence為湍流模塊；Chemistry/Mixing(chem)為化學(xué)模塊；Radiation(Rad)為輻射模塊；Spray為噴霧/顆粒模塊；FreeSurfaces(VOF為自由液面模塊；Two-Fluid(Fluid2)為兩相流模塊；Stress為結(jié)構(gòu)動力學(xué)模塊；GridDeformation為網(wǎng)格形變模塊；Plasma為等離子體模塊；Electric為電模塊；Magnetic為電磁模根據(jù)不同的問題，需要選擇相

7、應(yīng)的計算模塊進行求解，針對本算例我們用到了Flow流體動力學(xué)模塊、Turbulence湍流模塊、Stress為結(jié)構(gòu)動力學(xué)模塊，所以需要的操作時在此三個模塊前面打勾選中，如圖3.2.1所示。3、選擇設(shè)置面板中的M餓項，其2果如圖3.3.1圖3.3.1MO設(shè)置面板MO(modeloption)為模型選項，主要設(shè)置相關(guān)模型的參數(shù)，根據(jù)前面PT設(shè)置中所選的模塊，此算例的MO會出現(xiàn)shared、flow、turb和stress四個設(shè)置分類，如圖3.3.1所示。3.1shared設(shè)置shared為公共參數(shù)設(shè)置,可設(shè)置描述收斂的標(biāo)題名稱，時間參數(shù)等。TransientConditionsTimeDepend

8、enceSteadyTransient口crlurCfkQC：圖3.3.1.1時間參數(shù)設(shè)置如圖3.3.1.1所示，此為時間參數(shù)的設(shè)置，若算例為瞬態(tài)，則需要加上時間參數(shù)，貝需要在transientconditions中的timedependence選擇transient。然后出現(xiàn)下圖3.3.1.2所示菜單。TransientConditionsTimeDependenceTransientI-Fas1TimesteppingTransientTimeStep-*StandardNo.ofSteps11000.三TimeStep|1E-005sTimeAccuracy1Euler圖3.3.1.2時

9、間參數(shù)設(shè)置版面其中在No.ofsteps中加入迭代計算步數(shù)，在TimeStep中輸入時間單位的時間長度。3.2Flow設(shè)置Flow為模型的流體設(shè)置，其設(shè)置面板如圖3.3.2.1所示。PTMO|VC|BC|1C|SG|Out|Run|ShsfdPressureIFlowI|BRejerericePressureIlOOOOOZ/m人2TuroStressFamModelI-FanModelKflomientumResistanceModelI-IMomentumResistanceModelHemolysisModel(A(ShearABJCTimeACIl-Herriiolysis圖3.3.2

10、.1Flow設(shè)置面板針對此計算案例，只需在Flow設(shè)置面板中的ReferencePressure中輸入算例模型中實際環(huán)境的表面大氣壓力，其為一個atm,故輸入100000。其余則不選擇。3.3Turb設(shè)置PT MO VCBCCOut RunS hairedFlowTurbTurbulenceModelKEpsilonWallFunctionStandardWallStress圖3.3.3.1為Turb設(shè)置面板Turb設(shè)置中主要選擇湍流模型，和Wall的功能。其中TurbulenceModel中有如下模型選擇，按照算例的計算理論，我們需選擇K-Epsilon湍流模型計算。K EpsilonTur

11、bulenceModelWdlFunctionRNGKEPsilonKateLaunderKEpsilonTwoLayerKEpsilonRealizableKEpsilonKOmegaSST-K-OmegaLowRe(Chien)Spalart-AllmarasV2-FDetachedEddySimulation(DES)LargeEddySimulationLES)ConstEddyViscosityUserDefinedViscosity圖3.3.3.2TurbulenceModel菜單WallFunction中，我們選擇StandardWall,如圖3.3.3.3所示。Turbulen

12、ceModelKEpsilonWallFunctionStandardWallTwo-layerModelNon-equilibriumModelSharedFlowTurbStressPTMOIVCI3CIrcIscIOutIRun|Analysis-iLinearElementOrderFirstF-ShellElementsMassMatrixType-ConsistentDampingUStructuralDampingNumericalDampingModalAnalysislModalAnalysis圖3.3.4.1Stress面板根據(jù)本算例計算理論，Analysis應(yīng)選擇Line

13、ar,ElementOrder選才FFirst。如下圖所示。AnalysisLinearElementOrderNonlinear圖3.3.4.2Analysis菜單ElementOrderFirstSecond圖3.3.4.3ElementOrder菜單4、選擇設(shè)置面板中的VC選項PT|MOVC|BCIC|&C|Out|Run|VCSettingModePropertiesFlowPorousMediaTurbulencfSpeciesStress圖3.4.1 VC 設(shè)置面板VC(volumeconditions)為體/域設(shè)置，主要針對不同域中流體、湍流、應(yīng)力以及自身屬性進行設(shè)置。VCSet

14、tingMode中菜單如圖3.4.1所示，針對此算例，我們只需要對算例中三個域的Properties和Stress進行設(shè)置。4.1 Properties設(shè)置首先選擇Properties,然后點擊三個域進行設(shè)置點擊選中其中的一個域。VoluinMNamt|0Zo-nt舂Yclumc-2Fluid1421.1Nc-NrsnieFt而d事;ZL“蠢wlumilM421.G口呼Llngrouip口圓)送然后右鍵單擊，則出現(xiàn)以下菜單,備volum#2Fluid1421.旦lankSelectedCtrl+BRotateAboutNoNameGroupingAddintoFavorites.CopyVol

15、umeconditionProperties.通過此菜單可進行相關(guān)基本操作，如給不同的域進行命名等操作，點擊Proterties ,則又會出現(xiàn)以下窗口，點擊 OK則完成操作同時，VC設(shè)置版面則會出現(xiàn)你選擇域的Properties設(shè)置:VC Setting Modei PropertiesProperties * FluidFluid Subtype hysDensityAirDefine,. D efine.GasMaterialNameAirGasMaterialName從數(shù)據(jù)庫選擇Air,如下圖所示。MaterialPropertySourcesjImportFromDatabaseGas

16、MaterialNameFluidAmmoniakg/m 1 30Argon岡CarbonDioxideQCarbcnMonoxide區(qū)|Chlorine同Ethane圈Flourine巨HeliumOHydrogen1網(wǎng)Methanm當(dāng)設(shè)置好流域?qū)傩院?，則會出現(xiàn)流體的物理和流體參數(shù)，如果不符合算例要求，用戶可進行修改，如下圖所示。viscosity為粘性PhysDensityFluidViscosity1 Constant(Dynamic)ConstantRho1.1614Mu1.846E-005對于1號域，其設(shè)置同理如下圖所示。VCSettingMod#PropertiesProperti

17、esSolidMaterialPropertySources-ImportFromDatabaseDefine,.SolidMaterialNameSteeLAISL1020 PhysStructDensityConstantRho 7900kg/mMaterialType-jLinearStructMaterialIsotropicMaterialYoungsModulus-JConstantN/mAE1200000000000Pois&OfisRatio-1ConstantThermalExpansionCoefficient，ConstantAlpha|LI癥0054.2 Stress設(shè)

18、置由于應(yīng)力模塊在本算例中只在1號域的橋梁實體中體現(xiàn)，所以只需進行設(shè)置1號域中的Stress部分。選才VVCSettingMode中的Stress,然后選中一號域，則出現(xiàn)以下設(shè)置面板。activatestress激活壓力Stress“ActivateStressStressReference TemperatureConstantTref300ElementOptions(Quad,Brick,orPrism)StandardElements5、選擇設(shè)置面板中的BC選項BC(boundaryconditions)為邊界條件設(shè)置，主要設(shè)置計算邊界的參數(shù)。針對本算例需要設(shè)置以下五個部分：入口、出口、

19、橋體、邊界、固定點。針對對象選擇區(qū)域元素較多，所以我們首先應(yīng)該將其進行分類，分為入口、出口、橋體、邊界、固定點五個部分。打包后為:5.1入口設(shè)置模型中入口示意圖如下圖所示:在對象區(qū)選擇入口對象，然后轉(zhuǎn)入到BC設(shè)置面板，如下圖所示PT|MO|VCBC|IC|&C|Out|Run|BCGettingMode1后也HtsralBCTypeE取(ExternalFaceonFluidVolume)一wSubTyp#1可比3njTurb-Pruir.iCanstantP01N/m2ReferencePre-sureLOOCXX)=N/mA2Temperature1CJIr*|T0CKMh口ire117d

20、0mVFixedPressureTurbPressure-ConstantP0N/mA2ReferencePressure100000jN/mA2BackflowTemperature-JConstantT300K5.3邊界設(shè)置邊界為3號域最外延除去入口和出口的部分，如下圖紅色部分所示:選擇邊界，然后將BCType設(shè)置為Wall,由于靠近邊界處的流體可忽略不計,所以不進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。其設(shè)置都保持默認。5.4.2 Stress 設(shè)置Flow|，furblI “ i ” “ i j-a 11 ” 11StressTurlbuleniceRoughnessHeight3ConstantRHomF

21、lowTurbnimminaixijiii|:Stress:5.4橋?qū)嶓w設(shè)置橋?qū)嶓w如上圖所示部分，選中后其BC設(shè)置面板如圖所示，BCSettingMode設(shè)置為General,BCType設(shè)置為IntefaceBCSettingMode-1GeneralBCType|,imiwumi!*minAInterface(Fluid-SolidInterface)5.4.1Flow和Turb設(shè)置FlowSubType No-SlipTurbStressX-Direction VelocityConstantV-DirectionVelocityConstantm/sZ-DirectionVelocit

22、yConstantJFTl/5Flow Turb !Roughness Height* ConstantRH 0Stress由于是橋?qū)嶓w，所以其Flow以及Turb菜單無需設(shè)置。FlewSubType LoadTurbStress審 Applied PressureApplied Pressure-Constant“ImiplicrtPressureImplicitShearStressSpringForcePointLoad在SubType中選擇Load,將AppliedPressure選中，同時選中Implicit,如上圖所示。Pressure和ImplicitShearStress5.5

23、 Interface設(shè)置0(Fluid-Fluid Interface)StressInterface是指2號域和3號域之間的接觸面，如圖所示為紅色立方六面體表面。由于其為兩種大小網(wǎng)格的過渡面，不是實際的計算邊界，所以不需要做任何設(shè)置。只需將其選中，將其BCType設(shè)置為Interface5.6 橋梁固定部分的設(shè)置根據(jù)本算例實際情況，橋梁中有幾個部分為固定點，即在風(fēng)場中具形變、位移、撓度等都不會隨著風(fēng)流體的加載作用而改變，所以需要對這部分進行特殊設(shè)置。選中固定部分，將其BCType選擇為Inteface。其Flow和Turb部分設(shè)置原理和操作與橋?qū)嶓w設(shè)置相同:FlowTurbStressSub

24、Type No-SlipX-Diir*ctiori Velocity ConstantU |om m/5V-Directicin Velocityi ConstantV 5m m 片Z-Direction VelocityConstantW flm m/sFlowi Turb iStressRoughness Heighti Consta ntRH mmStress設(shè)置如下圖所示，Sub Type 選擇 Prescribed Displacement ,根據(jù)本算例要求，需要固定三個維度上位移， 所以將Fixed X-Displacement、Fixed Y-Displacement 、Fixe

25、d Z-Displacement選中，同時用戶可根據(jù)實際情況設(shè)置 特殊大小的位移，填入 Delta X Y Z中的數(shù)值中。SubTypeiPrescribedDisplacement歹FixedX-Diaplacement17FixedYDisplacernentPFixedZDisplacementNodalPrescribedDisplacementX-Displacement1ConstantDeltaX|0mY-uispiacemefn:-1Cw式antDekaY|o二m4-UIsplacementCoristanl:Delta2|omiStress;Flow8Turb6、選擇設(shè)置面板

26、中的IC選項IC (initial conditions）為初始條件設(shè)置，主要設(shè)置計算初始參數(shù)。具體操作如下:1 、將 Initial Conditions設(shè)置為 User Specified ; IC Applied選擇為 Volume by VolumePT | M0 | VC | BC IC SC | Out | RunIC Option (For whole sinnulation, Apply button not applicable)Initial Condition -t User SpecifiedIC Applied ( Volume by Volume由于2號域和3號域都

27、為空氣流體域，所以兩者可以共同設(shè)置，同時選擇2號和3號域。Volume NameVC TypeBlanks 1 ICG roupZoneKey0Molume2Fluid1一volurnelFluid242 L.YolumelSolid3421.,需要對其進行Shared、Flow、Turb三部分設(shè)置，其設(shè)置方法與邊界條件設(shè)置中的入口設(shè)置相同，如下圖所示:|Shedl: TemperatureFlowConstantTurbT 300Shared下嬴1XDirectioni VelodlyTurb-11c55 知 nt u gYDireetionVelocitySharedFlowI Turb

28、Ki ConstantmA2/s20.011 Constant口0.01-Kinetic EnergyDissipation RateConstantVwtn/sz-Uirectionveiocrty一匚m/sw.7.9JPressurejConstantN/mA2N/mA2pReferencePressure0zl1MOOO3、選擇1號域。VolumeN31TleVCTypeBlankeICGroupZoneKey工volume2Fluid142L二volumelFluid23“*volumelSolid3Shared設(shè)置面板為SharedTemperatureStressConstantT

29、300Stress設(shè)置面板為:SharedX-DirectionResidualStressf+ve=tensile)Stress!*:1ConstantSigm3xx2N/mA2Y-DirectionResidualStress(fve=tensile)-JConstantSigmayy|oJN/mA2Z-DirertionResidualStress(+-ve=tensile)iConstantSigmazzoN/mA2備注：如果計算需要從已有的計算結(jié)果開始計算則需要將InitialConditions設(shè)置為PreviousSolution，同時選擇上AppendResidualFile和

30、AppendOutputFile,然后在RestartFilename中添加初始計算文件，如下圖所示ICOption(Forwholesimulation,Applybuttonnotapplicable)InitialCondHion-iPreviousSolution7AppendResidualFileAppendOutputFileRestartFilenamegk2-liugudingcharrg-1200-7i9,DTFBrowse(ICAppliediForAllVolumes7、選擇設(shè)置面板中的SC選項SC（solvercontrol）為計算控制設(shè)置，其主要調(diào)節(jié)計算步數(shù)，收斂標(biāo)

31、準(zhǔn)，松弛因子等計算參數(shù)，通過設(shè)定，可以根據(jù)不同的算例得到準(zhǔn)確的模擬仿真結(jié)果。SC設(shè)置主要分為：IterSpatialSolversRelaxLimisAdv。因為本算例無需設(shè)置過多下面只介紹Iter和Relax兩個設(shè)置方法，其余設(shè)置均保持默認就能達到本算例的計算要求。Iter設(shè)置面板如下，主要設(shè)置最大計算迭代步數(shù)，和收斂標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)本算例實際情況我們設(shè)置Max.Iterations為10000步，Convergence（收斂）Crit為0.001,Min.Residual（殘余誤差）為1E-08。Relax設(shè)置面板如下，其主要是調(diào)節(jié)松弛因子，當(dāng)收斂曲線收斂不明顯時可IterSpatialSolv

32、ers進行調(diào)節(jié)松弛因子，如下圖，如果將箭頭都向上調(diào)節(jié)，則收斂性就會改善I，mm、LimitsAdvTurbulencer Turbukntf Start Control,Relax!8、選擇設(shè)置面板中的OUT項OUT為輸出設(shè)置，主要控制仿真計算結(jié)果的輸出控制，其中菜單包含如下圖所示。GeneralRestsrtGraphicStiEEaF沁sMon征orPointMonitorPlaneUserAccessControl由于本算例輸出設(shè)置只涉及General、Graphic兩部分，所以針對此兩部分進行講解。General設(shè)置版面如圖，OutputBy設(shè)置為Iteration;IntervalO

33、ptions設(shè)置為SpecfiedInterval（固定間隔）；由于本算例需要對沒間隔100步進行結(jié)果分析，所以選中UniqueFile;設(shè)置Every為100。OutputControlsOutputByIterationIntervalOptionsSpecifiedIntervalDiagnosticsDiagnosticsGraphic為輸出結(jié)果控制，其輸出結(jié)果主要分為Shared、Flow、Turb、Stress四個部分，通過選擇使得仿真輸出相應(yīng)結(jié)果，具體操作為在相應(yīng)輸出結(jié)果前打鉤選中。針對本算例則需要輸出以下結(jié)果。-Shared“DensityStaticTemperaturerT

34、otalTemperatureFlowVelocityVector。Velocity1Magnitude“StaticPressure。TotalPressure歹LaminarViscosityrVorticityStrainRateI-X-DirectionVelocityResidualrY-DirectionVelocityResidualI號DirectionVelocityResidualI-PressureResidualTurbulenceTurbKineticEnergyyTurbDissipationRateTurbViscosityI-EffectiveVise.Y+I-

35、RGridParameter1 -TurbKineticEnergyResidualTurbDissipationRateResidualStress2 DisplacementPCartesianStressTensorFCartesianStrainTensor7 PrincipalStress審PrincipalStressDirectionQPrincipalStrainrReactionForces9、選擇設(shè)置面板中的RUN項其版面如下圖所示，在此設(shè)置版面中，控制仿真計算的運行，有開始、暫停、終止、觀察其收斂曲線、輸出結(jié)果等功能。PT|MO|VC|BC|C|SC|OutI。|Paralle