一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法与流程

1.本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法。


背景技术：

2.当三维结构在两个方向上的尺寸远小于第三个方向上的尺寸时，三维结构可简化为一条线段以及固定在轴线上横截面的宏观截面特性，是梁结构典型的几何特征。其中，轴线上任意点的宏观截面特性是由梁横截面细观结构的几何和物理特性所决定。因此，截面特性的求解是桥梁结构有限元精细仿真计算中非常重要的一环。
3.以三维箱梁结构精细仿真计算为例，需要基于箱梁横截面模型的几何特征获得宏观的特征参数，如抗扭刚度、剪切中心、剪切常数、剪切面积，以及考虑截面翘曲所需的扇性惯性矩、主扇性静面矩、主扇性惯性矩等指标。
4.箱梁是高速铁路桥梁中最常采用的梁型，高铁桥梁中常见跨度的32米简支梁、24米简支梁等跨度高铁梁桥，其截面特性一般均采用箱梁结构形式。因此，箱梁截面的特性计算在高铁桥梁设计中占据很重要的一席之地。在箱梁桥梁设计、施工监控中，截面特性的计算结果关系到设计的最终成果。箱梁截面特性在桥梁内力仿真计算中，会影响到外荷载作用下的内力及位移结果。也与运营阶段的收缩、徐变、温度效应作用下的桥梁仿真计算结果密切相关。
5.在目前的铁路桥梁技术中，箱梁的截面特性计算严重依赖于商业软件的二次计算，限制了自主化铁路桥梁仿真方法成体系构建，严重影响铁路桥梁模型的深度和适用性。
6.针对上述问题，很有必要研究出一套箱梁截面特性计算的精细仿真方法，用以系统解决准确模拟真实环境中的铁路箱梁桥梁箱梁截面特性计算的孪生模型问题。


技术实现要素：

7.本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法。
8.本发明的技术方案是：一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，包括以下步骤：
9.a.输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型；
10.b.基于步骤a中箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型；
11.c.基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法；
12.d.基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法。
13.更进一步的，步骤a输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型，具体过程如下：
14.首先，输入所要计算的箱梁截面截面号、建模方式、偏心尺寸信息；
15.然后，分解确定外轮廓线及内轮廓线上的各特征点；
16.再后，采用自定义的任意截面输入规则，输入外轮廓线上各特征点的坐标；
17.最后，采用自定义的任意截面输入规则，输入内轮廓线上各特征点的坐标。
18.更进一步的，任意截面输入规则，具体过程如下：
19.首先，各边按逆时针方向输入，用分号"；"隔开；
20.然后，每条边的信息包含5个参量，中间用逗号","分开；
21.再后，5个参量的物理意义如下：
22.①
截面号，》0外轮廓，《0内轮廓；
23.②
起始端点x坐标；
24.③
起始端点z坐标；
25.④
半径r，＝0直线段，》0圆弧半径；
26.⑤
圆弧标示，＝0整圆，》0劣弧，《0优弧。
27.更进一步的，步骤b基于步骤a中箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型，具体过程如下：
28.首先，根据步骤a的箱梁截面的外轮廓模型，生成边界节点；
29.然后，根据内外轮廓线组成的空间区域，计算并生成内部节点；
30.再后，根据边界节点和内部节点，生成三角剖分单元；
31.最后，进行网格节点及三角剖分单元编号。
32.更进一步的，步骤c基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法，具体过程如下：
33.首先，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面面积；
34.然后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面形心位置；
35.再后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面惯性矩；
36.最后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面剪切系数。
37.更进一步的，步骤d基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法，具体过程如下：
38.首先，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算剪切中心位置；
39.然后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算扭转常数；
40.再后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算主扇性面积、翘曲惯性矩；
41.最后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算翘曲应变。
42.本发明的有益效果如下：
43.本发明建立了一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，填补了箱梁截面特性计算中精细仿真的技术空白。
44.本发明能够针对交通运输业桥梁工程技术领域的箱梁截面特性计算的精细仿真方法，利用本发明，能够对箱梁截面常规截面特性及复杂截面特性进行准确模拟，解决箱梁截面特性计算模型的准确性难题。
附图说明
45.图1为本发明的步骤流程示意图；
46.图2为本发明中箱梁截面示意图；
47.图3为本发明中箱梁截面系统中输入界面示意图；
48.图4为本发明中某单箱单室箱梁截面网格剖分示意图；
49.图5为本发明中某单箱单室箱梁截面的商业软件计算结果界面图。
具体实施方式
50.以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
51.如图1至图5所示，一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，包括以下步骤：
52.a.输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型；
53.b.基于步骤a中箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型；
54.c.基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法；
55.d.基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法。
56.更进一步的，步骤a输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型，具体过程如下：
57.首先，输入所要计算的箱梁截面截面号、建模方式、偏心尺寸信息；
58.然后，分解确定外轮廓线及内轮廓线上的各特征点；
59.再后，采用自定义的任意截面输入规则，输入外轮廓线上各特征点的坐标；
60.最后，采用自定义的任意截面输入规则，输入内轮廓线上各特征点的坐标。
61.任意截面输入规则，具体过程如下：
62.首先，各边按逆时针方向输入，用分号"；"隔开；
63.然后，每条边的信息包含5个参量，中间用逗号","分开；
64.再后，5个参量的物理意义如下：
65.①
截面号，》0外轮廓，《0内轮廓；
66.②
起始端点x坐标；
67.③
起始端点z坐标；
68.④
半径r，＝0直线段，》0圆弧半径；
69.⑤
圆弧标示，＝0整圆，》0劣弧，《0优弧。
70.采用上述任意截面输入规则，对如图2所示的箱梁截面采用图3所示的输入界面输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型，具体数据可见表1。
71.表1箱梁横截面输入数据
[0072][0073]
步骤b基于步骤a中箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型，具体过程如下：
[0074]
首先，根据步骤a的箱梁截面的外轮廓模型，生成边界节点；
[0075]
然后，根据内外轮廓线组成的空间区域，计算并生成内部节点；
[0076]
再次，根据边界节点和内部节点，生成三角剖分单元；
[0077]
最后，进行网格节点及三角剖分单元编号。
[0078]
步骤c基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法，具体过程如下：
[0079]
首先，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面面积；
[0080]
然后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面形心位置；
[0081]
再次，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面惯性矩；
[0082]
最后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面剪切系数。
[0083]
步骤d基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法，具体过程如下：
[0084]
首先，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算剪切中心位置；
[0085]
然后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算扭转常数；
[0086]
再次，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算主扇性面积、翘曲惯性矩；
[0087]
最后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算翘曲应变。
[0088]
具体的，步骤b中根据边界节点和内部节点，生成仿真计算的三角剖分单元，还包括以下约束条件：
[0089]
其一、三角形相互之间不相交，即两个三角形除了端点或两端点连线为公共边外不应该有别的交点。
[0090]
其二、三角形相互之间是互不包含的，即任意一个三角形不能完全包含其他的三角形。
[0091]
其三、三角形全部落在区域之内。
[0092]
具体的，步骤c中根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面面积，具体如下：
[0093][0094]
其中，a表示截面面积，da表示三角剖分单元面积,ne表示单元数,ng表示积分点数,表示单元的加权系数,i代表划分的单元号，j和k分别代表数值积分的不同积分点。
[0095]
具体的，步骤c中根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面形心位置，具体如下：
[0096]
仿真计算截面形心位置，对应的仿真计算公式如下：
[0097][0098]
其中，x,y分别表示两坐标轴，x0和y0表示横截面的形心，对应的显式表达式可写为：
[0099][0100]
式中的符号同上。
[0101]
具体的，步骤c中根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面惯性矩，具体如下：
[0102]
仿真计算截面惯性矩，对应的仿真计算公式如下：
[0103][0104]
其中，i
yy
、i
zz
、i
yz
分别表示截面绕y-y、z-z、y-z轴的截面惯性矩，(y0,z0)表示三角剖分单元形心坐标，y、z表示横截面的纵向与横向坐标，其余符号同上。
[0105]
具体的，步骤c中根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面剪切系数，具体如下：
[0106]
计算截面剪切系数的原因是梁的横截面受到任意分布的切应力作用。在任意分布的切应力简化为合剪力的过程中，需要考虑简化过程中的应变能损失，因此，需要定义横向剪力作用下的截面剪切系数，对简化过程中的应变能进行修正。
[0107]
其中，基于切应力相关的真实应变能可表示为
[0108][0109]
其中，u0为切应力相关的真实应变能，g为剪切系数；τ
xy
、τ
xz
为xy平面及xz平面内的切应力，其余符号同上。
[0110]
而基于横向剪切应力和剪切因子得到的应变能方程表示为
[0111][0112]
其中，u
beam
为应变能，vy、vz为y和z两个方向的横向剪力，k
yy
、k
zz
、k
yz
、k
zy
为各方向的剪切截面系数，其余符号同上。
[0113]
公式(5)和公式(6)需满足u0＝u
beam
。为了获得每个方向上的剪切截面系数，以梁结构受到z方向上的横向剪力vz的载荷作用为例，给出z和y方向的剪切截面系数的表达式，有
[0114][0115]
式中符号同上。
[0116]
具体的，步骤d中根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算剪切中心位置，具体如下：
[0117]
计算剪切中心位置，对应的仿真计算公式如下：
civil中选择截面类型为“数据库/用户”中的“单室/双室”功能进行截面建模，如附图5的左侧图所示。点击“显示截面特性值”按钮后，midas civil即可将计算结果计算显示出来，如附图5的右侧图所示。
[0140]
为考察箱梁截面特性计算的精细仿真方法的准确性和可靠性，当三角剖分单元组成的网格密度较稀疏时，分别提取卧龙和midas civil的计算结果列于表2进行对比。
[0141]
表2箱梁截面特性计算对比验证
[0142]
特性值midas卧龙误差(％)area4.100
×
10-3
4.100
×
10-3
0.00％asy2.319
×
10-3
2.312
×
10-3
0.30％asz2.038
×
10-3
2.036
×
10-3
0.10％iyy1.332
×
10-6
1.331
×
10-6
0.08％izz3.915
×
10-6
3.915
×
10-6
0.00％ixx2.789
×
10-6
2.787
×
10-6
0.07％iw1.694
×
10-10
1.695
×
10-10
0.06％w1-3.511
×
10-4-3.566
×
10-4
1.57％w23.511
×
10-4
3.566
×
10-4
1.57％w3-2.711
×
10-4-2.930
×
10-4
5.74％w42.711
×
10-4
2.930
×
10-4
5.74％cxy12.262
×
10-3
2.411
×
10-3
6.59％cxy22.262
×
10-3
2.402
×
10-3
6.19％cxy3-7.941
×
10-3-7.978
×
10-3
0.47％cxy4-7.937
×
10-3-7.921
×
10-3
0.20％cxz12.298
×
10-3
2.411
×
10-3
4.92％cxz2-2.298
×
10-3-2.402
×
10-3
4.53％cxz3-5.709
×
10-3-5.461
×
10-3
4.34％cxz45.708
×
10-3
5.595
×
10-3
1.98％yc-ys0.00.00.00％zc-zs2.457
×
10-3
2.473
×
10-3
0.61％ip5.247
×
10-6
5.246
×
10-6
0.00％
[0143]
表2中的符号及图5右侧计算结果中的符号(midas civil)对应的物理意义说明如下：
[0144]
area为横截面面积；
[0145]
asy为单元局部坐标系y轴方向的有效剪切面积，当不计剪切变形时，该特性值不起作用。
[0146]
asz为单元局部坐标系z轴方向的有效剪切面积，当不计剪切变形时，该特性值不起作用。
[0147]
ixx为对单元局部坐标轴x的扭转惯性矩；
[0148]
iyy为对单元局部坐标轴y的惯性矩；
[0149]
izz为对单元局部坐标轴z的惯性矩；
[0150]
cyp为沿单元局部坐标系+y轴方向，单元截面中和轴到边缘纤维的距离；
[0151]
cym为沿单元局部坐标系-y轴方向，单元截面中和轴到边缘纤维的距离；
[0152]
czp为沿单元局部坐标系+z轴方向，单元截面中和轴到边缘纤维的距离；
[0153]
czm为沿单元局部坐标系-z轴方向，单元截面中和轴到边缘纤维的距离；
[0154]
qyb为沿单元局部坐标系z轴方向的剪切系数；
[0155]
qzb为沿单元局部坐标系y轴方向的剪切系数；
[0156]
peri:o为截面外轮廓周长；
[0157]
peri:i为箱型或管型截面的内轮廓周长；
[0158]
cent:y为从截面最左侧到质心距离；
[0159]
cent:z为从截面最下端到质心的距离；
[0160]
y1,z1为截面左上方最边缘点的y、z坐标；
[0161]
y2,z2为截面右上方最边缘点的y、z坐标；
[0162]
y3,z3为截面右下方最边缘点的y、z坐标；
[0163]
y4,z4为截面左下方最边缘点的y、z坐标。
[0164]
图5左侧中出现的所有符号，均为midas civil输入箱梁截面所规定的截面尺寸符号，这些符号描述了变截面拐点、腹板厚度、外部轮廓尺寸、内部轮廓尺寸等几何信息。
[0165]
从表2可以发现，当三角剖分单元组成的网格密度较稀疏时，常规截面特性计算的对比结果的误差都在1％以内，复杂截面特性计算结果误差稍大，最大可达6.59％。但如果加密三角剖分单元组成的网格密度，计算误差均可降低到1％以内。
[0166]
本发明通过分别建立箱梁截面的外轮廓模型、箱梁截面的网格划分模型、箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法、箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法，进而建立了一套完全自主可控的一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法。
[0167]
本发明能够针对交通运输领域的箱梁截面特性计算的精细仿真方法，实现箱梁截面常规截面特性及复杂截面特性的准确模拟，解决箱梁截面特性计算模型的准确性难题。

技术特征：
1.一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：a.输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型；b.基于步骤a中箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型；c.基于步骤b箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法；d.基于步骤b箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法。2.根据权利要求1所述的一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，其特征在于：步骤a输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型，具体过程如下：首先，输入所要计算的箱梁截面截面号、建模方式、偏心尺寸信息；然后，分解确定外轮廓线及内轮廓线上的各特征点；再后，采用自定义的任意截面输入规则，输入外轮廓线上各特征点的坐标；最后，采用自定义的任意截面输入规则，输入内轮廓线上各特征点的坐标。3.根据权利要求2所述的一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，其特征在于：任意截面输入规则，具体过程如下：首先，各边按逆时针方向输入，用分号";"隔开；然后，每条边的信息包含5个参量，中间用逗号","分开；最后，5个参量的物理意义如下：
①
截面号，>0外轮廓，<0内轮廓；
②
起始端点x坐标；
③
起始端点z坐标；
④
半径r，=0直线段，>0圆弧半径；
⑤
圆弧标示，=0整圆，>0劣弧，<0优弧。4.根据权利要求1所述的一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，其特征在于：步骤b基于步骤a中箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型，具体过程如下：首先，根据步骤a的箱梁截面的外轮廓模型，生成边界节点；然后，根据内外轮廓线组成的空间区域，计算并生成内部节点；再后，根据边界节点和内部节点，生成三角剖分单元；最后，进行三角剖分单元编号。5.根据权利要求1所述的一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，其特征在于：步骤c基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法，具体过程如下：首先，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面面积；然后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面形心位置；再后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面惯性矩；最后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算截面剪切系数。6.根据权利要求1所述的一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，其特征在于：步骤d
基于步骤b的箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法，具体过程如下：首先，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算剪切中心位置；然后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算扭转常数；再后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算主扇性面积、翘曲惯性矩；最后，根据步骤b中箱梁截面的网格划分模型，计算翘曲应变。

技术总结
本发明公开了一种箱梁截面特性计算的精细仿真方法，输入箱梁截面轮廓信息，建立箱梁截面的外轮廓模型；基于箱梁截面的外轮廓模型，对箱梁截面网格剖分，建立箱梁截面的网格划分模型；基于箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的常规截面特性计算精细仿真方法；基于箱梁截面的网格划分模型，建立箱梁截面的复杂截面特性计算精细仿真方法。本发明能够针对交通运输业桥梁工程技术领域的箱梁截面特性计算的精细仿真方法，利用本发明，能够对箱梁截面常规截面特性及复杂截面特性进行准确模拟，解决箱梁截面特性计算模型的准确性难题。解决箱梁截面特性计算模型的准确性难题。解决箱梁截面特性计算模型的准确性难题。


技术研发人员：王雨权 苏伟 廖立坚 李旭 杨智慧 傅安民 刘龙 张兴华 白青波 吴迪
受保护的技术使用者：中国铁路设计集团有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/14