桥梁抗风性能仿真解读

1、图1.1位重型支援桥某工作状态模型利用CFD-ACE1行桥梁抗风性能仿真一、计算实例简述本计算实例为重型支援桥假设时三个阶段的风桥耦合仿真。其模型结构如图所示：eyi前期使用GEO瞰件进行模型建立，网格划分等工作，并把此计算案例分为三个域进行计算：1号域为桥体本身；2号域为桥体附近的空气流域；3号域为桥体远方的空气流域。为了提高计算效率以及计算精确度，则需要在1号和2号域中网格相比3图1.2域1和域2示意图号域中更为精密。下图为三个域的示意图。其中如图1.2所示，实体桥结构内部为1号域，桥体周围的立方六面体（紫色六面体）到桥表面之间的空间为2号域。图1.33号域示意图3号域为最大的立方六面体到

2、中间的立方六面体之间的空间、操作界面介绍打开CFD-ACE其工作界面如下图所示: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设JH面扳F rfcfWU! rruiM-r ChMiFA!的货 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则-IrivortHKkGumpChiq1iiZJFt-jU-hJAr#=1)mhHsgHNiapi,_di上J图2CFD-ACE软件工作界面其主要分为菜单区、实体（域）显示区域、设置面板、操作对象选择区等四个部分1 .菜单区File、Edit、View、Units、Tool、Windows分别为基本操作的操作菜单。度q图mI为文件打开、存储、撤销快捷按钮。力：为控制模型显示

4、方式的选项按钮，其中可选择模型的可视角度、透明度、阴影等。|2q0日|”四对为cfd-ACE计算过程中对计算仿真过程或者结果操作的按钮。其功能有时时观察收敛曲线、打开与其关图2.1.1菜单区工作界面2 .实体（域）显示区域图2.2.1实体（域）显示区域其操作方式主要为鼠标操作，其中鼠标左键功能为拖动，鼠标右键功能为旋转，滚轮功能为放大。同时可以通过此区域进行操作对象的选择3 .操作对象区域此区域为操作对象选择区域，方便对其进行选择，选择后，被选部分会在实体显示区域显示。然后进行相关操作GenwtryTree冥Bjnda*yNameBCTyiwKSubType小串nkedCeetHZoneKey

5、口All口FavoritH0Block套Fluid9&didBC-c国，口GenJ.nterfareGe.l &e心1gliNo-SlipGeM &ct_3胃MlNo-SlipGen_Jginnle选才Opopen-打开相应文件，或者直接点击料UHJ-ACLULC;PLAbndge.4gongkuang-12UUIiuti-5.4.DIb-11 j|e Edit ViEiw Units To&li Window图3.1.1 打开open图3.1.2选择打开文件 e :f d举亚母父宝 。, Li R3, 虫 司内当2、选择设置面板中的PT选项，其名果如图3.2.1O图3.2.1 PT设置版面P

6、T(problemtype)为问题类型设置面板，跟据特定的仿真实例选择相应的计算模块，进而求解。其中，Flow为流体动力学模块；HeatTransfer为传热辐射模块；Turbulence为湍流模块；Chemistry/Mixing(chem)为化学模块；Radiation(Rad)为辐射模块；Spray为喷雾/颗粒模块；FreeSurfaces(VOF为自由液面模块；Two-Fluid(Fluid2)为两相流模块；Stress为结构动力学模块；GridDeformation为网格形变模块；Plasma为等离子体模块；Electric为电模块；Magnetic为电磁模根据不同的问题，需要选择相

7、应的计算模块进行求解，针对本算例我们用到了Flow流体动力学模块、Turbulence湍流模块、Stress为结构动力学模块，所以需要的操作时在此三个模块前面打勾选中，如图3.2.1所示。3、选择设置面板中的M饿项，其2果如图3.3.1图3.3.1MO设置面板MO(modeloption)为模型选项，主要设置相关模型的参数，根据前面PT设置中所选的模块，此算例的MO会出现shared、flow、turb和stress四个设置分类，如图3.3.1所示。3.1shared设置shared为公共参数设置,可设置描述收敛的标题名称，时间参数等。TransientConditionsTimeDepend

8、enceSteadyTransient口crlurCfkQC：图3.3.1.1时间参数设置如图3.3.1.1所示，此为时间参数的设置，若算例为瞬态，则需要加上时间参数，贝需要在transientconditions中的timedependence选择transient。然后出现下图3.3.1.2所示菜单。TransientConditionsTimeDependenceTransientI-Fas1TimesteppingTransientTimeStep-*StandardNo.ofSteps11000.三TimeStep|1E-005sTimeAccuracy1Euler图3.3.1.2时

9、间参数设置版面其中在No.ofsteps中加入迭代计算步数，在TimeStep中输入时间单位的时间长度。3.2Flow设置Flow为模型的流体设置，其设置面板如图3.3.2.1所示。PTMO|VC|BC|1C|SG|Out|Run|ShsfdPressureIFlowI|BRejerericePressureIlOOOOOZ/m人2TuroStressFamModelI-FanModelKflomientumResistanceModelI-IMomentumResistanceModelHemolysisModel(A(ShearABJCTimeACIl-Herriiolysis图3.3.2

10、.1Flow设置面板针对此计算案例，只需在Flow设置面板中的ReferencePressure中输入算例模型中实际环境的表面大气压力，其为一个atm,故输入100000。其余则不选择。3.3Turb设置PT MO VCBCCOut RunS hairedFlowTurbTurbulenceModelKEpsilonWallFunctionStandardWallStress图3.3.3.1为Turb设置面板Turb设置中主要选择湍流模型，和Wall的功能。其中TurbulenceModel中有如下模型选择，按照算例的计算理论，我们需选择K-Epsilon湍流模型计算。K EpsilonTur

11、bulenceModelWdlFunctionRNGKEPsilonKateLaunderKEpsilonTwoLayerKEpsilonRealizableKEpsilonKOmegaSST-K-OmegaLowRe(Chien)Spalart-AllmarasV2-FDetachedEddySimulation(DES)LargeEddySimulationLES)ConstEddyViscosityUserDefinedViscosity图3.3.3.2TurbulenceModel菜单WallFunction中，我们选择StandardWall,如图3.3.3.3所示。Turbulen

12、ceModelKEpsilonWallFunctionStandardWallTwo-layerModelNon-equilibriumModelSharedFlowTurbStressPTMOIVCI3CIrcIscIOutIRun|Analysis-iLinearElementOrderFirstF-ShellElementsMassMatrixType-ConsistentDampingUStructuralDampingNumericalDampingModalAnalysislModalAnalysis图3.3.4.1Stress面板根据本算例计算理论，Analysis应选择Line

13、ar,ElementOrder选才FFirst。如下图所示。AnalysisLinearElementOrderNonlinear图3.3.4.2Analysis菜单ElementOrderFirstSecond图3.3.4.3ElementOrder菜单4、选择设置面板中的VC选项PT|MOVC|BCIC|&C|Out|Run|VCSettingModePropertiesFlowPorousMediaTurbulencfSpeciesStress图3.4.1 VC 设置面板VC(volumeconditions)为体/域设置，主要针对不同域中流体、湍流、应力以及自身属性进行设置。VCSet

14、tingMode中菜单如图3.4.1所示，针对此算例，我们只需要对算例中三个域的Properties和Stress进行设置。4.1 Properties设置首先选择Properties,然后点击三个域进行设置点击选中其中的一个域。VoluinMNamt|0Zo-nt舂Yclumc-2Fluid1421.1Nc-NrsnieFt而d事;ZL“蠢wlumilM421.G口呼Llngrouip口圆)送然后右键单击，则出现以下菜单,备volum#2Fluid1421.旦lankSelectedCtrl+BRotateAboutNoNameGroupingAddintoFavorites.CopyVol

15、umeconditionProperties.通过此菜单可进行相关基本操作，如给不同的域进行命名等操作，点击Proterties ,则又会出现以下窗口，点击 OK则完成操作同时，VC设置版面则会出现你选择域的Properties设置:VC Setting Modei PropertiesProperties * FluidFluid Subtype hysDensityAirDefine,. D efine.GasMaterialNameAirGasMaterialName从数据库选择Air,如下图所示。MaterialPropertySourcesjImportFromDatabaseGas

16、MaterialNameFluidAmmoniakg/m 1 30Argon冈CarbonDioxideQCarbcnMonoxide区|Chlorine同Ethane圈Flourine巨HeliumOHydrogen1网Methanm当设置好流域属性后，则会出现流体的物理和流体参数，如果不符合算例要求，用户可进行修改，如下图所示。viscosity为粘性PhysDensityFluidViscosity1 Constant(Dynamic)ConstantRho1.1614Mu1.846E-005对于1号域，其设置同理如下图所示。VCSettingMod#PropertiesProperti

17、esSolidMaterialPropertySources-ImportFromDatabaseDefine,.SolidMaterialNameSteeLAISL1020 PhysStructDensityConstantRho 7900kg/mMaterialType-jLinearStructMaterialIsotropicMaterialYoungsModulus-JConstantN/mAE1200000000000Pois&OfisRatio-1ConstantThermalExpansionCoefficient，ConstantAlpha|LI症0054.2 Stress设

18、置由于应力模块在本算例中只在1号域的桥梁实体中体现，所以只需进行设置1号域中的Stress部分。选才VVCSettingMode中的Stress,然后选中一号域，则出现以下设置面板。activatestress激活压力Stress“ActivateStressStressReference TemperatureConstantTref300ElementOptions(Quad,Brick,orPrism)StandardElements5、选择设置面板中的BC选项BC(boundaryconditions)为边界条件设置，主要设置计算边界的参数。针对本算例需要设置以下五个部分：入口、出口、

19、桥体、边界、固定点。针对对象选择区域元素较多，所以我们首先应该将其进行分类，分为入口、出口、桥体、边界、固定点五个部分。打包后为:5.1入口设置模型中入口示意图如下图所示:在对象区选择入口对象，然后转入到BC设置面板，如下图所示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边界设置边界为3号域最外延除去入口和出口的部分，如下图红色部分所示:选择边界，然后将BCType设置为Wall,由于靠近边界处的流体可忽略不计,所以不进行相应的参数设置。其设置都保持默认。5.4.2 Stress 设置Flow|，furblI “ i ” “ i j-a 11 ” 11StressTurlbuleniceRoughnessHeight3ConstantRHomF

21、lowTurbnimminaixijiii|:Stress:5.4桥实体设置桥实体如上图所示部分，选中后其BC设置面板如图所示，BCSettingMode设置为General,BCType设置为IntefaceBCSettingMode-1GeneralBCType|,imiwumi!*minAInterface(Fluid-SolidInterface)5.4.1Flow和Turb设置FlowSubType No-SlipTurbStressX-Direction VelocityConstantV-DirectionVelocityConstantm/sZ-DirectionVelocit

22、yConstantJFTl/5Flow Turb !Roughness Height* ConstantRH 0Stress由于是桥实体，所以其Flow以及Turb菜单无需设置。FlewSubType LoadTurbStress审 Applied PressureApplied Pressure-Constant“ImiplicrtPressureImplicitShearStressSpringForcePointLoad在SubType中选择Load,将AppliedPressure选中，同时选中Implicit,如上图所示。Pressure和ImplicitShearStress5.5

23、 Interface设置0(Fluid-Fluid Interface)StressInterface是指2号域和3号域之间的接触面，如图所示为红色立方六面体表面。由于其为两种大小网格的过渡面，不是实际的计算边界，所以不需要做任何设置。只需将其选中，将其BCType设置为Interface5.6 桥梁固定部分的设置根据本算例实际情况，桥梁中有几个部分为固定点，即在风场中具形变、位移、挠度等都不会随着风流体的加载作用而改变，所以需要对这部分进行特殊设置。选中固定部分，将其BCType选择为Inteface。其Flow和Turb部分设置原理和操作与桥实体设置相同: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设置如下图所示，Sub Type 选择 Prescribed Displacement ,根据本算例要求，需要固定三个维度上位移， 所以将Fixed X-Displacement、Fixed Y-Displacement 、Fixe

25、d Z-Displacement选中，同时用户可根据实际情况设置 特殊大小的位移，填入 Delta X Y Z中的数值中。SubTypeiPrescribedDisplacement歹FixedX-Diaplacement17FixedYDisplacernentPFixedZDisplacementNodalPrescribedDisplacementX-Displacement1ConstantDeltaX|0mY-uispiacemefn:-1Cw式antDekaY|o二m4-UIsplacementCoristanl:Delta2|omiStress;Flow8Turb6、选择设置面板

26、中的IC选项IC (initial conditions）为初始条件设置，主要设置计算初始参数。具体操作如下:1 、将 Initial Conditions设置为 User Specified ; IC Applied选择为 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号域和3号域都

27、为空气流体域，所以两者可以共同设置，同时选择2号和3号域。Volume NameVC TypeBlanks 1 ICG roupZoneKey0Molume2Fluid1一volurnelFluid242 L.YolumelSolid3421.,需要对其进行Shared、Flow、Turb三部分设置，其设置方法与边界条件设置中的入口设置相同，如下图所示:|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、选择1号域。VolumeN31TleVCTypeBlankeICGroupZoneKey工volume2Fluid142L二volumelFluid23“*volumelSolid3Shared设置面板为SharedTemperatureStressConstantT

29、300Stress设置面板为:SharedX-DirectionResidualStressf+ve=tensile)Stress!*:1ConstantSigm3xx2N/mA2Y-DirectionResidualStress(fve=tensile)-JConstantSigmayy|oJN/mA2Z-DirertionResidualStress(+-ve=tensile)iConstantSigmazzoN/mA2备注：如果计算需要从已有的计算结果开始计算则需要将InitialConditions设置为PreviousSolution，同时选择上AppendResidualFile和

30、AppendOutputFile,然后在RestartFilename中添加初始计算文件，如下图所示ICOption(Forwholesimulation,Applybuttonnotapplicable)InitialCondHion-iPreviousSolution7AppendResidualFileAppendOutputFileRestartFilenamegk2-liugudingcharrg-1200-7i9,DTFBrowse(ICAppliediForAllVolumes7、选择设置面板中的SC选项SC（solvercontrol）为计算控制设置，其主要调节计算步数，收敛标

31、准，松弛因子等计算参数，通过设定，可以根据不同的算例得到准确的模拟仿真结果。SC设置主要分为：IterSpatialSolversRelaxLimisAdv。因为本算例无需设置过多下面只介绍Iter和Relax两个设置方法，其余设置均保持默认就能达到本算例的计算要求。Iter设置面板如下，主要设置最大计算迭代步数，和收敛标准，根据本算例实际情况我们设置Max.Iterations为10000步，Convergence（收敛）Crit为0.001,Min.Residual（残余误差）为1E-08。Relax设置面板如下，其主要是调节松弛因子，当收敛曲线收敛不明显时可IterSpatialSolv

32、ers进行调节松弛因子，如下图，如果将箭头都向上调节，则收敛性就会改善I，mm、LimitsAdvTurbulencer Turbukntf Start Control,Relax!8、选择设置面板中的OUT项OUT为输出设置，主要控制仿真计算结果的输出控制，其中菜单包含如下图所示。GeneralRestsrtGraphicStiEEaF沁sMon征orPointMonitorPlaneUserAccessControl由于本算例输出设置只涉及General、Graphic两部分，所以针对此两部分进行讲解。General设置版面如图，OutputBy设置为Iteration;IntervalO

33、ptions设置为SpecfiedInterval（固定间隔）；由于本算例需要对没间隔100步进行结果分析，所以选中UniqueFile;设置Every为100。OutputControlsOutputByIterationIntervalOptionsSpecifiedIntervalDiagnosticsDiagnosticsGraphic为输出结果控制，其输出结果主要分为Shared、Flow、Turb、Stress四个部分，通过选择使得仿真输出相应结果，具体操作为在相应输出结果前打钩选中。针对本算例则需要输出以下结果。-Shared“DensityStaticTemperaturerT

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

35、RGridParameter1 -TurbKineticEnergyResidualTurbDissipationRateResidualStress2 DisplacementPCartesianStressTensorFCartesianStrainTensor7 PrincipalStress审PrincipalStressDirectionQPrincipalStrainrReactionForces9、选择设置面板中的RUN项其版面如下图所示，在此设置版面中，控制仿真计算的运行，有开始、暂停、终止、观察其收敛曲线、输出结果等功能。PT|MO|VC|BC|C|SC|OutI。|Paralle