基于ANSYS的深水桥墩流固耦合分析方法★

官 建 雄

(中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海　200070)



·桥梁·隧道·

基于ANSYS的深水桥墩流固耦合分析方法★

官 建 雄

(中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海200070)

针对深水桥墩耦合分析的难题，解说了ANSYS中进行耦合分析的基本理论，并结合工程实例，应用命令流方式对耦合分析的过程进行了阐述，该方法为一线技术人员应用ANSYS进行耦合分析提供了技术支持。

深水桥墩，流固耦合，ANSYS，耦合分析

0　引言

随着经济和社会发展，特别是最近十年国家对修建基础设施建设的投入越来越大，跨河、跨江和跨海的大型桥梁建设越来越多。桥梁作为交通生命线工程，对交通安全运营起到至关重要的作用。而桥墩一般是建在水中，在环境荷载的作用下，水体将会对桥墩产生动力作用。从动力学角度进行分析，桥墩和水体将会产生流固耦合的作用力，特别对于深水桥墩，该流固耦合作用力将对桥梁结构产生重要的影响。但是，流固耦合作用理论比较复杂，对于一线施工的桥梁工作人员很难把该理论应用到实际工程中，但工程建设又需要工程技术人员了解和该作用力对桥梁施工及维护的影响。为了解决这个难题，本文开展应用有限元软件ANSYS开发深水桥墩流固耦合分析的程序，让一般的技术人员能够容易掌握对深水桥墩流固耦合分析的技术和方法，为深水桥梁工程的施工和维护提供技术支撑。

1　流固耦合分析的基本理论

随着计算机技术的不断发展，从20世纪80年代开始，流固耦合分析逐渐被广大研究人员和工程师所重视。流固耦合是固体力学和流体力学形成的一门交叉学科，是研究可变型的固体在流场作用下各种力学特性，以及固体的力学特性对流场的影响二者相互作用的交叉学科。作为通用的有限元软件ANSYS可以进行流固耦合分析，本文重点介绍如何应用ANSYS软件进行深水桥墩耦合分析，从而使广大工程技术人员可以应用ANSYS对深水桥墩的设计、施工和维护进行分析，提高工程的安全保障。

1.1ANSYS中常见海洋结构分析单元

ANSYS对深水结构进行计算分析时，需要选择合适的ANSYS单元库中的单元类型来建立实际工程结构的有限元模型[1-5]。ANSYS单元库中常见的能够模拟水中结构的单元类型有Pipe16，Pipe20，Shell43，Beam4，Mass21，Pipe59和Combin39等单元类型。这些单元的应用范围见表1。

表1　ANSYS中海洋结构物常见单元类型[6，7]

1.2波流作用的荷载模拟

水流荷载产生荷载效应有三种运动形式：第一，结构在静止的水中运动；第二，结构静止在水中，而水流运动；第三，流体和结构在同一时间流动。波流作用不但包括波浪所激发的质点运动，而且还包括波浪下的水流引起的质点运动。质点的运动可以在三维的八个方向和角度进行设置，临近的质点间的运动方向和速度可以按照直线内插法计算。有限元程序ANSYS中提供了四种方法来对波浪的运动进行处理的理论方法，具体内容可见表2[8-11]。

表2　有限元程序ANSYS中进行波浪模拟计算的理论

有限元软件ANSYS在模拟波浪动力学分析的过程中，其波浪的高度可以应用式(1)进行表示：

(1)

STOKES五阶波计算理论是波浪分析中最常用的理论，在ANSYS程序中，对于波流荷载的选择，可以在WATER TABLE中定义不同水深的位置的水流的方向和流速，有限元计算程序ANSYS流体耦合计算和结构多场计算比较相似，不同的是在耦合过程中会生成CFX文件，其流固耦合计算过程示意图如图3所示[9-15]。

在流固耦合计算过程中，参数CD和参数CM在常数表格中进行设置，除此之外，需要在WATER MOTION TABLE表中定义其他参数。具体的设置见ANSYS应用说明书。

1.3波浪作用下深水桥墩的动力响应分析

在有限元ANSYS中，结构的动力响应分析具有模拟结构在任意荷载下、任意时间点上的动力学响应的方法。在流固耦合分析过程中，重点分析在流体和结构耦合振动过程中，结构在组合荷载下的时间历程动态响应。在动态分析的计算过程中，必须考虑阻尼和惯性力的影响，所以结构耦合动力响应的动力学方程可以用下式表示：

2　工程实例

利用有限元软件ANSYS对一根深水桥墩在特定环境状况下的结构进行瞬态动力学分析。

2.1工程概况

应用ANSYS软件，建立如图4所示的圆柱形深水实体桥墩，该桥墩高25 m，直径4 m，桥梁为预应力混凝土简支梁，计算跨度为30 m，计算高度为3.5 m，混凝土桥梁质量为526 000 kg，将其以集中质量的形式作用在桥墩的顶部。

2.2计算分析与结果

1)计算流程图。上述系统的流固耦合分析的耦合分析实现的过程见图4。

2)在有限元软件ANSYS中建立深水桥墩的流固耦合模型，所建立的模型见图5。

3)固有频率的前六阶计算结果见表3。

表3　计算耦合结构固有频率

4)墩顶的位移时程曲线见图6。

3　结语

通过理论分析和实例，我们可以看到只要掌握住ANSYS在深水桥墩分析的步骤和重要细节，一线工程人员完全可以进行深水桥墩的耦合分析，本研究为广大工程技术人员提供了重要的技术参考。

[1]刘涛.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[3]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].第2版.北京：中国水利水电出版社，1998:3-15.

[5]李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人民邮电出版社，2005:10-18.

[6]盛和太.ANSYS有限元原理与工程应用实例大全[M].北京：清华大学出版社，2006：7-60.

[7]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京：北京大学出版社，2003.

[8]谭建国.使用ANSYS 6.0进行有限元分析[M].北京：北京大学出版社，2002.

[9]洪庆章,刘清吉,郭嘉源.ANSYS教学范例[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[10]刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002.

[11]易日.使用ANSYS 6.0进行静力学分析[M].北京：北京大学出版社，2002.

[12]唐兴伦.ANSYS工程应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[13]刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[14]易日.使用ANSYS 6.1进行结构力学分析[M].北京：北京大学出版社，2002.

[15]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，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★：浙江省教育厅科研项目(项目编号：Y201223039)

官建雄(1981- ),男，工程师

U442

A