[发明专利]一种结合VFIFE和FEM的索-梁-塔耦合振动数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种结合VFIFE和FEM的索‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法。适用于振动仿真领域。本发明所采用的技术方案是：提供了一种结合VFIFE和FEM的索‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法，步骤1、根据索‑梁‑塔体系中构件的结构刚度，将所述构件划分为VFIFE分析构件和FEM分析构件，并确定所述VFIFE分析构件和所述FEM分析构件的连接点J_i位置，建立混合数值模型；步骤2、对混合数值模型中的所述VFIFE分析构件和所述FEM分析构件分别进行前处理操作；步骤3、定义积分时程与步长，在每一个积分步长内对索‑梁‑塔结构体系进行位移和内力的迭代求解；步骤4、判断积分终止条件是否满足，若所述积分终止条件满足，则执行步骤5，否则重复步骤3；步骤5、输出数值模拟数据。

技术领域

本发明涉及振动仿真领域，更确切地说，它涉及一种结合VFIFE和FEM的索-梁-塔耦合振动数值模拟方法。

背景技术

由于大跨度索承桥梁的刚度较柔，在其施工建设和后期运维中容易发生索-梁-塔耦合振动，该类振动属于非线性动力问题，当振动幅度较大时，容易导致拉索疲劳、断裂等现象，损害整体结构安全性，在桥梁设计过程中应进行结构振动仿真，以优化设计方案并拟定减振措施。采用理论解析法求解此类耦合振动问题，变量多，公式繁琐，不易于工程应用；采用缩尺模型进行仿真试验，干扰因素多，过程复杂，得到的振动特性与实际结构存在差异。

传统有限元方法(FEM，Finite Element Method)适用于结构的整体力学性能分析，但索-梁-塔体系中各构件的刚度和阻尼系数相差较大，采用FEM进行振动模拟时，各构件的振动结果容易失真；向量式有限元(VFIFE，Vector Form Intrinsic Finite ElementMethod)适用于求解结构大变形、碰撞等不连续或非线性力学行为问题，对拉索这类柔性构件的振动仿真结果更为精确，然而对主梁和索塔这类刚度较大构件的分析效率低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种结合VFIFE和FEM的索-梁-塔耦合振动数值模拟方法；

第一方面，提供了一种结合VFIFE和FEM的索-梁-塔耦合振动数值模拟方法，包括：

步骤1、根据索-梁-塔体系中构件的结构刚度，将所述构件划分为VFIFE分析构件和FEM分析构件，并确定所述VFIFE分析构件和所述FEM分析构件的连接点J_i位置，建立混合数值模型；

步骤2、对混合数值模型中的所述VFIFE分析构件和所述FEM分析构件分别进行前处理操作；

步骤3、定义积分时程与步长，在每一个积分步长内对索-梁-塔结构体系进行位移和内力的迭代求解；

步骤4、判断积分终止条件是否满足，若所述积分终止条件满足，则执行步骤5，否则重复步骤3；

步骤5、输出数值模拟数据。

作为优选，步骤1中，所述VFIFE分析构件包括拉索；所述FEM分析构件包括主梁和索塔。

作为优选，步骤2中，对所述VFIFE分析构件进行前处理操作，包括：

步骤2.1、将VFIFE分析构件离散为用无质量单元连接的质点群，表示为：

x＝{x_1,n；x_2,n；...；x_N,n}＝{(x₁,y₁,z₁)；(x₂,y₂,z₂)；...；(x_N,y_N,z_N)}