CN114201804A - 一种基于abaqus平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于车桥***动力学分析领域，具体涉及一种基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法。利用ABAQUS软件建立车辆和桥梁的初始模型，并输出为.inp文件，在MATLAB软件中生成路面高程随车辆前进距离的函数，并替换初始桥梁模型中路面部件的纵坐标值，生成新的.inp文件用于车桥***计算分析。本发明利用ABAQUS强大的动力求解功能，直观地建立车桥耦合模型，避免了编写大量动力学方程代码，同时在后续分析中考虑了路面不平顺的因素，保证了数值计算的准确性。
Description
技术领域
本发明属于车桥***动力学分析领域，具体涉及一种基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法。
背景技术
桥梁结构在运营期间的主要活荷载为移动车辆荷载，当车辆以一定速度行驶于桥面上时，车辆的振动和桥梁的振动相互影响，即车桥耦合振动。部分桥梁事故是由于行驶中车辆的振动导致的，因此桥梁在满足静力设计强度外，还应具有良好的动力工作性能，以保证行车安全和驾驶人员的舒适性。
目前对车桥耦合的分析方法主要有(1)现场试验法，(2)理论分析法，(3)数值模拟法。
现场试验需要繁杂的准备工作，有着较高的经济和时间成本，且单次试验可能不具有普遍代表性；理论分析法仅适用于简单模型；数值模拟法将车桥耦合问题处理成两个相互关联的运动方程***，一个用于桥梁振动分析，另一个用于车辆振动分析，用轮与桥面竖向位移协调来考虑车辆与桥面的接触，通过编写特定程序求解这个方程***。随着商业分析软件的发展，研究人员可以避免编制复杂专用程序，利用其成熟的前处理和求解器模块实现对桥梁结构的可视化建模和车桥耦合问题的分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法，旨在解决车桥耦合问题中建模复杂、计算效率低、模拟情况与实际情况不符等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法。利用ABAQUS软件建立车辆和桥梁的初始模型，并输出为.inp文件，在MATLAB软件中生成路面高程随车辆前进距离的函数，并替换初始桥梁模型中路面部件的纵坐标值，生成新的.inp文件用于车桥***计算分析。
所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：在ABAQUS软件中建立车辆模型，设置车辆参数；
步骤(2)：在ABAQUS软件中建立桥梁和路面模型，设置几何、材料等相关属性参数；
步骤(3)：在ABAQUS软件中进行装配，设置分析步并划分网格；
步骤(4)：在ABAQUS软件中定义车轮和路面的接触，设置荷载、边界条件，生成Job-0.inp文件；
步骤(5)：提取Job-0.inp文件中部件的节点编号和坐标，保存为data1、data2、data3，分别包含上桥引桥、主桥和下桥引桥的相关数据；
步骤(6)：在MATLAB软件中运行采用谐波叠加法模拟路面不平顺的createrough.m文件，生成路面不平顺数据，保存为m.mat；
步骤(7)：在MATLAB软件中运行输入为data1、data2、data3和通过createrough.m生成的不平顺数据m.mat的changedata.m文件，用步骤(6)中的不平顺数据替换步骤(5)中的节点纵坐标，并生成newdata1、newdata2、newdata3；
步骤(8)：在MATLAB软件中运行输入为部件节点信息在Job-0.inp中的起止行号的writeinp.m文件，用newdata1、newdata2、newdata3替换Job-0.inp中的相应部件，并生成Job-1.inp；
步骤(9)：在ABAQUS软件中提交Job-1.inp进行计算分析。
步骤(1)具体为：
步骤(11)：在ABAQUS软件的部件模块，依据车辆几何尺寸将车体按照三维线型离散刚体进行建模；
步骤(12)：在ABAQUS软件的属性模块，在车辆重心设置参考点，并赋予惯性属性，包括质量和转动惯量参数；
步骤(13)：在ABAQUS软件的相互作用模块，设置车轮参考点和接触参考点，为车轮参考点指派质量，为车轮参考点和接触参考点的连接指派弹簧和阻尼，为车轮参考点和车体的连接指派弹簧和阻尼。
步骤(3)具体为：
步骤(31)：装配和网格划分时使上桥引桥路面、主桥桥面、下桥引桥路面在轮迹处具有连续网格且尺寸相同；
步骤(32)：设置两个分析步，第一个为静力通用分析步，第二个为动力隐式分析步；
步骤(33)：限制动力隐式分析步的最大增量步长。
步骤(4)具体为：
步骤(41)：创建一个相互作用属性，将其法向行为设置为硬接触；
步骤(42)：设置车轮和路面的相互作用，接触主面选为桥面，接触从面选择接触参考点；
步骤(43)：释放车辆的所有竖向自由度，其他自由度根据步骤(12)中赋予的惯性属性来确定。
步骤(5)中data1表示部件为上桥引桥路面数据，data2表示部件为主桥桥面数据，data3表示部件为下桥引桥路面数据，其中包含了部件节点编号和坐标信息。
步骤(6)中的采用谐波叠加法模拟路面不平顺的createrough.m文件的输入包括路面不平顺系数、网格尺寸和路面长度；createrough.m文件的输出是采用谐波叠加法生成的一组零均值各态历经的平稳Gauss随机过程，即为路面高程。
步骤(7)具体为：
步骤(71)：changedata.m文件是为了自动替换节点坐标，其输入为data1、data2、data3和通过createrough.m生成的不平顺数据m.mat，替换坐标之前，按照data1、data2、data3中需要替换的节点数，m.mat数据被分成相对应的三段，程序首先将节点信息依据竖向坐标分组，挑选出需要替换的路面和桥面节点，再将这些节点依据横向坐标分组形成若干列轮迹，最后沿着轮迹的纵向将其竖向坐标依次替换为不平顺数据，newdata1、newdata2、newdata3分别为含有路面不平顺的上桥引桥路面、主桥桥面、下桥引桥路面的部件信息；
步骤(72)：上桥前路面末端和桥面板首端拥有相同的高程；下桥后路面首端和桥面板末端拥有相同的高程。
步骤(8)具体为：
步骤(81)：writeinp.m文件是为了自动修改原始inp文件，其输入为部件的节点信息在Job-0.inp中的起止行号；
步骤(82)：writeinp.m文件的输出为Job-1.inp。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明利用MATLAB软件编程生成路面不平顺数据，并进行快速修改ABAQUS节点坐标，以模拟实际路面情况，再提交至ABAQUS软件中计算，本发明利用ABAQUS软件强大的动力求解功能，直观地建立车桥耦合模型，同时在后续分析中考虑了路面不平顺的因素，保证了数值计算的准确性。
本发明利用ABAQUS软件建立车桥模型耦合分析的初始模型，其中车辆使用三维线型离散刚体建立，简化模型的基础上保证了与实际情况相符。
本发明将MATLAB软件在编程、数据处理方面的优势与ABAQUS软件有限元分析有机融合，在MATLAB中统一设置路面不平顺的所有参数，避免了编写大量动力学方程的代码，实现高效准确地车桥耦合建模和分析。
附图说明
图1为本发明基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的ABAQUS软件车辆模型。
图3为本发明实施例提供的ABAQUS软件桥梁模型。
图4为本发明实施例提供ABAQUS软件初始模型全局效果图。
图5为本发明实施例提供的data.2的文件结构。
图6为本发明实施例提供一组不平顺数据的高程随路程的曲线。
图7为本发明实施例提供的newdata2的文件结构。
图8为本发明实施例提供的考虑路面不平顺的车桥耦合模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-8所示，一种基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法，具体包括以下步骤：
车辆模型的建立，以一辆规范五轴车为例，如图2所示，
ABAQUS中在部件模块，依据车辆的尺寸将车体用三维线型的离散刚体进行建模，此处车体分为车头和车尾，并将其装配形成整车，在属性模块中为车体重心处赋予质量和转动惯量。轮胎用参考点表示，在轮胎和车体之间创建悬架，在轮胎参考点下方设置相应的接触参考点，为轮胎参考点和接触参考点创建弹簧和阻尼连接器以模拟真实的轮胎。
桥梁模型的建立，以一座常见空心板梁桥为例，如图3所示，
ABAQUS软件中在部件模块，依据桥梁的实际尺寸，采用三维实体单元建立桥梁，在属性模块为其赋予材料和截面属性。类似地，建立上桥引桥路面和下桥引桥路面模型。
ABAQUS软件中在装配模块完成所有部件的组装。
ABAQUS软件中在分析步模块设置两个分析步第一个为静力通用分析步，第二个为隐式动力学分析步。
ABAQUS软件中在相互作用模块新建一个名为int-1的接触属性，将其法向行为设置为硬接触。为路面和车轮设置接触，主面为路面，从面为接触参考点。
ABAQUS软件中荷载模块下在车体的重心和车轮的参考点处施加重力，释放车辆的所有竖向自由度，其他自由度根据相应的惯性属性而定。
ABAQUS软件中网格模块下为各个部件划分网格。
ABAQUS软件中作业模块写入输入文件，生成Job-0.inp。ABAQUS中的初始模型如图4所示。
提取Job-0.inp文件中部件的节点编号和坐标，保存为data1、data2、data3，图5为data.2的文件结构。
MATLAB软件中运行createrough.m文件，生成路面不平顺数据，保存为m.mat，图6为一组不平顺数据的高程随路程的曲线。
MATLAB软件中运行changedata.m文件，用不平顺数据替换原始部件的节点纵坐标，并生成newdata1、newdata2、newdata3，图7为newdata2的文件结构。
MATLAB软件中运行writeinp.m文件，用newdata1、newdata2、newdata3替换Job-0.inp中的相应部件，并生成Job-1.inp。图8为含有路面不平顺的车桥耦合模型。
在ABAQUS中提交Job-1.inp进行分析计算。
本发明利用MATLAB生成路面不平顺并方便快捷地修改.inp文件，利用ABAQUS建立车桥耦合模型并进行计算，避免了编写大量动力学方程的代码，实现高效准确地车桥耦合建模和分析。
Claims (9)
1.一种基于ABAQUS平台的考虑路面不平顺的车桥耦合分析方法，其特征在于，利用ABAQUS软件建立车辆和桥梁的初始模型，并输出为.inp文件，在MATLAB软件中生成路面高程随车辆前进距离的函数，并替换初始桥梁模型中路面部件的纵坐标值，生成新的.inp文件用于车桥***计算分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：在ABAQUS软件中建立车辆模型，设置车辆参数；
步骤(2)：在ABAQUS软件中建立桥梁和路面模型，设置几何、材料相关属性参数；
步骤(3)：在ABAQUS软件中进行装配，设置分析步并划分网格；
步骤(4)：在ABAQUS软件中定义车轮和路面的接触，设置荷载、边界条件，生成Job-0.inp文件；
步骤(5)：提取Job-0.inp文件中部件的节点编号和坐标，保存为data1、data2、data3，分别包含上桥引桥、主桥和下桥引桥的相关数据；
步骤(6)：在MATLAB软件中运行采用谐波叠加法模拟路面不平顺的createrough.m文件，生成路面不平顺数据，保存为m.mat；
步骤(7)：在MATLAB软件中运行输入为data1、data2、data3和通过createrough.m生成的不平顺数据m.mat的changedata.m文件，用步骤(6)中的不平顺数据替换步骤(5)中的节点纵坐标，并生成newdata1、newdata2、newdata3；
步骤(8)：在MATLAB软件中运行输入为部件节点信息在Job-0.inp中的起止行号的writeinp.m文件，用newdata1、newdata2、newdata3替换Job-0.inp中的相应部件，并生成Job-1.inp；
步骤(9)：在ABAQUS软件中提交Job-1.inp进行计算分析。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体为：
步骤(11)：在ABAQUS软件的部件模块，依据车辆几何尺寸将车体按照三维线型离散刚体进行建模；
步骤(12)：在ABAQUS软件的属性模块，在车辆重心设置参考点，并赋予惯性属性，包括质量和转动惯量参数；
步骤(13)：在ABAQUS软件的相互作用模块，设置车轮参考点和接触参考点，为车轮参考点指派质量，为车轮参考点和接触参考点的连接指派弹簧和阻尼，为车轮参考点和车体的连接指派弹簧和阻尼。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：
步骤(31)：装配和网格划分时使上桥引桥路面、主桥桥面、下桥引桥路面在轮迹处具有连续网格且尺寸相同；
步骤(32)：设置两个分析步，第一个为静力通用分析步，第二个为动力隐式分析步；
步骤(33)：限制动力隐式分析步的最大增量步长。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
步骤(41)：创建一个相互作用属性，将其法向行为设置为硬接触；
步骤(42)：设置车轮和路面的相互作用，接触主面选为桥面，接触从面选择接触参考点；
步骤(43)：释放车辆的所有竖向自由度，其他自由度根据步骤(12)中赋予的惯性属性来确定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)中data1表示部件为上桥引桥路面数据，data2表示部件为主桥桥面数据，data3表示部件为下桥引桥路面数据，其中包含了部件节点编号和坐标信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)的采用谐波叠加法模拟路面不平顺的createrough.m文件的输入包括路面不平顺系数、网格尺寸和路面长度；createrough.m文件的输出是采用谐波叠加法生成的一组零均值各态历经的平稳Gauss随机过程，即为路面高程。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(7)具体为：
步骤(71)：changedata.m文件是为了自动替换节点坐标，其输入为data1、data2、data3和通过createrough.m生成的不平顺数据m.mat，newdata1、newdata2、newdata3分别为含有路面不平顺的上桥引桥路面、主桥桥面、下桥引桥路面的部件信息；
步骤(72)：上桥前路面末端和桥面板首端拥有相同的高程；下桥后路面首端和桥面板末端拥有相同的高程。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(8)具体为：
步骤(81)：writeinp.m文件是为了自动修改原始inp文件，其输入为部件的节点信息在Job-0.inp中的起止行号；
步骤(82)：writeinp.m文件的输出为Job-1.inp。
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