350 第 38 卷 大跨桥梁承受车辆等变幅荷载作用, 且车辆为移动荷载, 桥梁疲劳寿命是由变幅应力循环引起的. 疲劳寿命分析一直是大型商用软件的分析模块中一个比较薄弱的部分. 不少软件的疲劳分析模块功能有限, 只能做较为简单的疲劳寿命分析, 后处理功能无法将所有部位的疲劳寿命以直观的状态表示出来.

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1 2017 年 5 月 May2017 第 38 卷第 3 期 Vol.38 No.3 doi: /j.isn 基于 ANSYS 二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术 侯士通, 王 莹 ( 东南大学土木工程学院, 江苏南京 ) 摘要 : 针对 ANSYS 软件不能对变幅荷载条件下的大跨桥梁疲劳进行模拟分析的问题, 利用 ANSYS 软件自带的参数化程序设计语言 (APDL) 及 MATLAB 程序, 对 ANSYS 软件的疲劳分析功能模块进行二次开发, 开发了相应的功能模块用以导出应力时程, 结合三峰谷计数法循环计数, 依据材料应力寿命 (S N) 曲线和 Miner 累积损伤理论, 估算出大跨桥梁各个部件的疲劳寿命及相应的疲劳失效概率, 以三维云图形式实现移动车载作用下大跨桥梁所有构件的疲劳寿命和疲劳失效概率可视化. 在现有服役交通荷载作用下, 随大跨桥梁承受汽车荷载的增加, 大跨桥梁的疲劳失效概率逐渐增大. 关键词 : 大跨桥梁 ;ANSYS 二次开发 ; 疲劳寿命 ; 疲劳失效概率 ; 可视化技术中图分类号 :U 文献标志码 :A 文章编号 : (2017) 引文格式 : 侯士通, 王莹. 基于 ANSYS 二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术 [J]. 江苏大学学报 ( 自然科学版 ),2017,38(3): Visualizationforfatiguelifeandfailureprobabilityof long spanbridgesbasedonsecondarydevelopmentofansys HOUShitong,WANGYing (ColegeofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China) Abstract:Tosolvetheproblem thatansyscannotsimulatethefatigueoflargespanbridgeunder variable amplitudeloadcondition,anew methodwasproposedusingapdlandmatlab,andthe secondarydevelopmentoffatiguemodulewasconductedinansys.thecorespondingfunctionalmodule wasdevelopedtoexportthetimehistoryofstresandcounttheloopnumberwiththe"threepeaksand valeys"theory,andthefatiguelifewascalculatedbys NcurveandMinerdamagecumulativerule.The fatiguelifeandthefailureprobabilityoflargespanbridgewerepresented,andthevisualizationofwhole fatiguelifeandfatiguefailureprobabilityatmovingloadwascariedoutbysecondarydevelopment function.theresultshowsthatattheexistingtraficload,thedamageprobabilityisgradualyincreased withtheincreasingofload. Keywords: long span bridge; ANSYS secondary development; fatigue life; failure probability; visualizationtechnology 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) 作者简介 : 侯士通 (1991 ), 男, 山西高平人, 硕士研究生 (seu_houshitong@seu.edu.cn), 主要从事有限元数值模拟 桥梁管养和加固的研究. 王莹 (1980 ), 女, 江苏盐城人, 博士, 副教授 (civil_wangying@seu.edu.cn), 主要从事结构健康监测 状态评估 疲劳 损伤与断裂及可靠性的研究.

2 350 第 38 卷 大跨桥梁承受车辆等变幅荷载作用, 且车辆为移动荷载, 桥梁疲劳寿命是由变幅应力循环引起的. 疲劳寿命分析一直是大型商用软件的分析模块中一个比较薄弱的部分. 不少软件的疲劳分析模块功能有限, 只能做较为简单的疲劳寿命分析, 后处理功能无法将所有部位的疲劳寿命以直观的状态表示出来. 同时, 一般的计算软件采用定点加载的疲劳荷载谱, 输出的结果是有限等级的荷载谱下结构的疲劳寿命, 但是对移动荷载作用下关键部位的疲劳寿命却无能为力 [1-2]. [3] 沈海军等以 ANSYS 为基础, 采用自行开发的疲劳寿命可视化模块对某飞机起落框架进行了疲劳 [4] 寿命及可视化分析. 刘根林等对打夯机夯架夯击的应力分布进行了分析, 开发了基于 ANSYS 的疲劳 [5] 模块, 实现打夯机疲劳寿命可视化分析. 任亮等 针对 ANSYS 疲劳寿命分析能力的不足, 开发了分析叉车车架的寿命和失效概率的可视化模块. 丁杰 [6] 等以 ANSYS 为基础, 实现了虚拟样机疲劳寿命分析及可视化功能. 目前疲劳寿命分析基本都是定点加载, 且荷载谱为有限的多级荷载谱, 形式过于简单, 且未考虑车辆等移动荷载的作用. 为此, 本研究针对大跨桥梁车辆移动荷载的特殊性和商用软件 ANSYS 处理疲劳问题的不足, 利用 ANSYS 自带的参数化程序设计语言 (APDL) [7], 实现变幅移动荷载作用下, 桥梁疲劳寿命和失效概率可视化. 1 疲劳寿命和失效概率的可视化流程 公路桥梁承受汽车荷载作用, 其疲劳寿命主要由作用在其上的车辆荷载谱所决定, 几乎所有的桥梁疲劳规范中均涉及桥梁的疲劳荷载谱和该荷载谱下桥梁的动力响应问题. 车辆类型及车辆重量对桥梁的响应有较大影响, 在本研究建立的桥梁 ANSYS 有限元模型中, 车辆移动荷载通过桥面板传递到桥梁主梁, 采用等效节点力的方式加载到有限元模型上, 桥面板一般采用板单元来实现模拟. 图 1 为集中荷载下板单元上的等效结点力. 假设在局部坐标系 Oxyz 处作用一单位集中力, 则相应结点上的等效结点力为 Q i =(1+ξ 0 )(1+η 0 )(2+ξ 0 +η 0 -ξ 2 -η 2 )/8, M xi =-bη i (1+ξ 0 )(1+η 0 )(1-η 2 )/8, M yi =aξ i (1+ξ 0 )(1+η 0 )(1-ξ 2 )/8, (1) 其中 i=1,2,3,4. 由式 (1) 进一步得到桥面板采用叠加法导出的随车速和时间变化的等效结点力. 图 1 集中荷载下板单元上的等效结点力 桥梁在车辆荷载作用下的疲劳问题属于高周疲劳问题, 其结构的损伤准则主要是依据累积疲劳损伤准则. 现有的疲劳规范中多采用米勒准则计算结构中的累积疲劳损伤问题. 因此, 米勒准则的一般公式如下 : ( ) D= n N = n m σ r,σ 10 7 r σ 0, σ0 D= n N = n m+2 σ r 10 ( 7 σ ),σ r <σ 0, 0 (2) 式中 :D 为损伤度 ;n 为应力循环次数 ;N 为结构破坏时的应力循环次数 ;σ r 为应力差 ;σ 0 为疲劳极限 ; m 为结构参数, 与结构的焊接等级有关, 对于大部分焊接细节, 其值取为 3. 考虑平均应力影响下的等效应力幅为 i ( ) Δσ ef = 1 n i Δσ m ar n i 1 m, (3) 式中 :σ ar =(σ M σ a ) 1 2,σM =σ a +σ m,σ a = 1 2 σ r,σ m 为平均应力. 由式 (2),(3) 可得 n i D = N = 1 n i Δσ m ari, (4) 10 7 σ m 0 式 (4) 为修正的米勒准则. 实现疲劳寿命和失效概率可视化的思路如下 : 1) 建立桥梁结构初始有限元模型. 通过成桥试验时测得的静 动力参数对模型进行修改和验证, 使得初始模型能够充分反映服役初期桥梁的真实静 动力响应. 同时, 基于该初始模型, 施加各类服役荷载, 得到结构或构件的名义应力或位移分布, 以此作为参考标准, 确定桥梁结构的关键部位或关键疲劳构件. 2) 对桥梁进行交通流量调查 实测和记录, 对所有车辆按照类型进行归纳分类, 得到桥梁的真实

3 第 3期 侯士通等 基于 ANS YS二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术 351 车辆荷载谱 并将该载荷谱施加于步骤 1 所建立的 析 确定桥梁的危险部位 根据桥梁上每日实际交通 初始有限元模型 通过移动的静力加载方式代替动 54 规范确定疲劳荷载谱 利用 ANSYS 量 结合 BS 态车辆流 获取桥梁关键部位的应力时程 计算得到结构各部位在变幅荷载下的应力时程 然 3 查阅相关的桥梁焊接细节的规范 如英国 后通过 MATLAB导入应力时程数据 使用已编译的 BS 54 金属结构缺陷评估方法指南 BS 7 1 钢 雨流计数法得到相应的 S N曲线和等效应力幅 再 混凝土和组合桥梁 和美国 AAS HTOLRFD 公路桥 结合疲劳累积损伤模型 就可以对疲劳损伤状态及 梁设计规范 等 获得焊接细节局部的应力集中因 其疲劳寿命进行评估 1 最后利用 ANSYS的 APDL 子 从而确定桥梁易于发生疲劳损伤或断裂部位的 语言 读取 MATLAB计算得到的疲劳寿命及失效概 应力时程 率数据 在后处理中 利用 ANSYS宏命令为有限元 4 采用雨流计数法 8 或者泄水池法等确定 关键疲劳构件最不利位置处的应力谱 建立应力幅 模型进行赋值 即可方便地实现整体结构的疲劳寿 命及失效概率可视化 平均应力 循环次数的三维直方图或应力幅 循环次 数的二维应力谱 2 计算实例 N曲线和 M 损伤定律 调用 MAT 5 利用 S LAB程序 得到服役桥梁关键焊接部位的疲劳寿命 YS自带的二次开发 APDL语言及 6 利用 ANS 宏命令可以方便的实现数据结果可视化 针对 M 线性累积准则的不足 荷载加载序 2 1 润扬大桥模型 润扬斜拉桥是连接镇江 扬州的润扬长江公路 大桥的重要组成部分 是 1 7 5 4m 4 6 m 1 7 5 4 m 全宽 37 4 m的三跨连续钢箱梁斜拉桥 梁高 3 列效应和累积损伤统计的分散性 采用 M C m 含风嘴 锚固区 主梁由线型钢箱梁和正交异性 模拟计算出疲劳累积失效概率 利用 ANSYS自带的 桥面板组成 桥梁有限元模型共有 7544个节点 拉 APDL语言实现了全场的疲劳寿命和失效概率的可 索采用 k 1单元 桥塔采用 b m42单元 钢箱梁 视化 图 2为实现可视化的流程图 63单元 为了施加准确的边界约束 本研 采用 究根据设计图纸建立准确 可靠的润扬斜拉桥有限 元模型 如图 3所示 模型经过参数优化后 动力特 性与实测值吻合较好 图 3 润扬斜拉桥整体有限元模型 按照实际车道分布 将桥面分成符合实际情况 的超车道 快车道 慢车道和紧急车道 如图 4所示 图 2 疲劳寿命与失效概率可视化实现流程 本研究考虑对桥梁模型上的车辆荷载进行数值 YS进行结构有限元建模及分 模拟 首先利用 ANS 图 4 模型车道图

4 352 第 38 卷 2.2 疲劳荷载谱英国规范 BS5400 提供典型公路 铁路路线实际分析条件下的标准荷载谱, 此载荷包含英国典型干道上车辆交通的载重和相对数量. 本研究参照 BS5400 标准的荷载谱, 并根据润扬大桥车流量的情况, 将各个荷载类型的车辆按比例配置, 制定典型通车荷载值组合 ( 见表 1). 表 1 中数据是以 100 万辆车辆作为基数, 得到各个荷载类型车辆的数量. 表 1 通过桥梁的典型疲劳交通荷载组合 总荷载 /kn 单车轮荷载 /kn 比重 /(100 万 ) 加载说明 本研究设定一辆车完整通过润扬斜拉桥作为一次荷载事件, 其中车辆荷载作用在桥梁的慢车道上. 求解桥梁上车辆移动荷载引起的应力时程的问题时, 可以通过提取各点的应力时程转化为求解车辆定点加载时的应力问题. 通过分步对润扬大桥模型施加定点静荷载, 求解各分步荷载静应力可以转化为疲劳加载的应力幅, 进而进行疲劳寿命计算, 设定车辆于慢车道经过大桥, 因此分布荷载施加于有限元模型慢车道区域. 整个加载过程分为 66 个加载子步, 模拟各类型荷载车辆过桥. 2.4 疲劳寿命及失效概率可视化 将 ANSYS 计算得到的桥梁应力时程数据导入到 MATLAB, 使用已编译的雨流计数程序进行数据处理. 图 5 为 280kN 荷载下, 桥梁跨中节点 (7535) 以及边跨节点 (5908) 的应力时程图. 图 5 跨中节点及两端节点的应力时程图由图 5 可知 : 跨中节点 7535 位于桥梁模型的中间位置, 因此在荷载施加到中间位置时, 整个应力时程图曲线基本对称, 跨中节点有一个明显的应力变化, 最大值接近 16MPa; 桥端的节点 2107 与节点 5908 是在桥梁段对称的位置上, 因此荷载经过两个节点后, 也会有一个明显的应力变化, 同时, 两个节点的应力时程图形基本反对称. 其他荷载的应力时程曲线同 280kN 的类似, 荷载越大, 曲线中的最大值也就越大. 使用雨流程序得到的钢箱梁所有节点等效应力幅, 如图 6 所示. 图 6 桥梁各节点等效应力幅在得到各节点的等效应力幅以后, 利用 S N 曲线, 得到变幅荷载下的疲劳寿命. 结合疲劳累积损伤理论以及 Mote Carlo 方法即可计算出结构的疲劳失效概率 [11-12]. 1) 疲劳寿命可视化. 结合 ANSYS 自带的 APDL 语言, 使用宏命令及 VREAD, DNSOL 命令将疲劳寿命数据进行赋值, 上述命令流中, 用疲劳寿命数据将原有的 U z 即 z 方向的位移数据覆盖, 然后通过点击 GeneralPostproc PlotResult ContourPlot Nodal

5 第 3期 侯士通等 基于 ANS YS二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术 S 显示 z方向位移选项 即可将结果以云图形式显 示 得到桥梁整体结构的疲劳寿命云图 如图 7所示 353 方法 同 第 1 小 节 的 一 致 使 用 宏 命 令 及 VREAD OL命令将数据进行赋值 用疲劳失效 DNS 概率数据将原有的 z方向的位移 Uz数据覆盖 然后 通过点击 G P p R P P C S 显示 z方向位移选项 即可得到桥梁疲 N 劳失效概率云图 见图 8 由图 8可知 跨中区域失效概率较大 桥墩及桥 墩两侧区域失效概率较小 这是由于荷载施加在桥 面一侧 荷载施加这一侧的失效概率相对于桥面另 一侧更大 3 结 论 1 采用本研究提出的策略 可实现大跨桥梁钢 箱梁结构疲劳寿命和失效概率的可视化 从疲劳寿 命图直观看出 由于桥塔的约束 使得桥塔附近钢箱 梁构件的疲劳寿命较高 逐渐过渡到跨中附近 该处 的钢箱梁构件由于应力的增加 疲劳寿命相对于桥 图 7 桥梁整体结构疲劳寿命云图 由图 7可知 大桥跨中的疲劳寿命较桥端小 桥 面中间的疲劳寿命较桥面两边小 这是由于荷载施 塔附近较低 由于本研究只采用单向车道加载 使得 加载一侧 上游 桥面的疲劳寿命相对于另外一侧 下游 要低 2 在现有的服役交通荷载作用下 随荷载增 加在桥面一侧 加载一侧的桥面车道疲劳寿命较小 大 失效概率逐渐增大 由大桥跨中附近失效概率云 基本符合实际分布情况 图可知 跨中部位的疲劳失效概率较大 边跨及桥塔 2 疲劳失效概率可视化 图 8为疲劳失效概率 处疲劳失效概率较小 桥墩处的疲劳失效概率局部 放大图显示 失效概率较低的区域分布在拉索与钢 云图 箱梁连接部位 该处由于构件约束较多 超静定次数 较高 故构件相对安全 加载区域疲劳失效概率相对 较高 参考文献 R f 1 高璞 吴冲 苏庆田 等 连续宽箱组合梁桥混凝土桥 江苏大学学报 自然 科 学 面板的疲劳损伤度 J 版 2 1 3 3 4 1 5 GAOP WUC S UQT F m f b w b x mp b J J fj U v y N S E 2 1 3 3 4 1 5 C LLERKJ A p p v f mp 2 MI p m fm f p b mf x y C P f 7 I F C B j H E P 1 1 1 5 3 3 沈海军 郭万林 李海军 基于结构疲劳寿命可视化 图 8 疲劳失效概率云图 中国机械工程 2 3 1 4 技术的虚拟疲劳设计 J

6 354 第 38 卷 (11): SHENHJ,GUOW L,LIHJ.Visualizationoffatigue lifeofstructureandvirtualfatiguedesign[j].chinese MechanicalEngineering,2003,14(11): (inchinese) [4] 刘根林, 沈海军. 打夯机夯架应力及疲劳寿命可视化分析 [J]. 机械工程师,2009(7): LIUGL,SHENH J.Visualanalysisofstresandfa tiguelifeoftheframeofakindofleapfroggingpunner [J].MechanicalEngineer,2009(7):68-69.(inChi nese) [5] 任亮, 沈海军, 结构疲劳寿命与破坏概率可视化技术 [J]. 计算机辅助工程,2008,17(2): RENL,SHENHJ.Visualizationtechnologiesofstruc turalfatiguelifeandfailureprobability[j].computer AidedEngineering,2008,17(2):34-37.(inChi nese) [6] 丁杰, 唐玉兔. 基于 ANSYS 二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发 [J]. 机械强度,2014,36 (5): DINGJ,TANGYT.Randomvibrationfatiguelifevisua lizationprogramdevelopmentbasedonansysseconda ryprogram[j].journalofmechanicalstrength,2014, 36(5): (inChinese) [7] BELYTSCHKOT,LIUW K,MORANB. 连续体和结构的非线性有限元 [M]. 庄茁, 译. 北京 : 清华大学出版社,2002. [8] 董乐义, 罗俊, 程礼. 雨流计数法及其在程序中的具体实现 [J]. 航空计测技术,2004,24(3): DONGLY,LUOJ,CHENGL.Rainflowcountme thodanditsrealizationinprogramming[j].metrology & MeasurementTechnology,2004,24(3): (inchinese) [9] 毕朝锐, 网架结构疲劳载荷谱的可视化研究 [D]. 太原 : 太原理工大学,2003. [10] 马文刚, 孟庆峰, 王慧东. 基于 ANSYS 二次开发的连续刚构桥建模技术 [J]. 国防交通工程与技术,2006 (1): MAW G,MENGQF,WANGH D.Thecontinuous rigidframebridgemodelingtechnologybasedonsecon darydevelopmentofansys[j].traficengineering andtechnologyfornationaldefence,2006(1):19-22.(inchinese) [11] 金平, 赵海军, 柳文林. 疲劳寿命估算的线性累积破坏率准则研究 [J]. 海军航空工程学院学报,2006, 21(3): JINP,ZHAOHJ,LIUW L.Researchonlinearcumu lativefailureprobabilityruleaboutfatiguelifeestimation [J].JournalofNavalAeronauticalEngineeringInstitu te,2006,21(3): (inchinese) [12] 王莹, 李兆霞, 赵丽华. 大跨钢桥钢箱梁损伤时变模型及疲劳可靠性评估 [J]. 东南大学学报 ( 自然科学版 ),2013,43(5): WANGY,LIZX,ZHAOLH.Time varyingdamage modelandfatiguereliabilityasesmentforbox girderof long spansteelbridge[j].journalofsoutheastuniver sity(naturalscienceedition),2013,43(5): (inchinese) ( 责任编辑赵鸥 )

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