浅谈ANSYS中车桥耦合振动的实现方法与应用

浅谈ANSYS中车桥耦合的实现方法与应用

作者：黄江广安区交通运输局

摘要：弹簧移动质量的振动问题可通过大型通用结构有限元软件ANSYS进行分析解决，解决方法有三种，分别为：位移耦合法、生死单元法和位移接触法。这三种方法各有优势与适用范围，本文对相关方法的具体情况作出简要介绍，并采用简单算例通过位移接触法进行应用介绍，阐述了车桥耦合振动仿真模拟的一般步骤，有利于读者了解这方面的内容。

关键词：位移耦合生死单元位移接触

1前言

车桥耦合振动问题是桥梁振动理论中的一项难题，随着大型通用有限元软件的开发，车桥振动模型在逐步得到精确化模拟，根据不同的车桥模型应有不同的模拟方法。以下结合大型通用结构有限元软件ANSYS将三种模拟方法及应用作简要介绍。

2方法介绍

位移耦合法

位移耦合法的思路是仅创建一个质量单元模拟移动质量，根据移动速度对移动质量施加不同的水平约束位移，将移动质量与所移动到位置处的节点竖向位移耦合。采用位移耦合法时赢注意以下几点：

①因移动质量与梁上节点耦合，因此移动质量只能从梁上一个节点移动到下一节点，而从一个节点移动到下一节点为一个荷载步。在一个荷载步中若设置多个子步，当KBC=0时会造成还没有移动到下一节点时就耦合自由度，也就是耦合位置不对；当KBC=1时，虽然在第一子步到达下一节点位置，即耦合位置正确，但中间收敛结果所产生的速度和加速度会对计算造成“污染”，因此无论KBC 如何设置，宜将NSUBST设置为1。

②阻尼问题。ANSYS完全法瞬态动力分析不能设置模态阻尼比，但可用质量阻尼系数α和刚度阻尼系数β等效（Rayleigh阻尼假定），但正是因为Rayleigh 阻尼假定会造成ANSYS计算时产生“虚假”阻尼（α×质量矩阵），而理论推到中没有此项。因此考虑阻尼进行结果对比时可仅考虑刚度阻尼。

③采用CP命令耦合自由度时，因自由度为线性耦合，不适合大变形情况。如打开大变形，ANSYS计算的梁体位移、速度和加速度正确，但移动质量位移和加速度虽然趋势基本一致，但数值均存在很大误差或数值不正确，且误差随速度增大而增大。

④理论推导中没有考虑梁体自重引起的变形，在ANSYS中也不应考虑该变形，因梁体存在质量，如施加重力加速度则必然产生自重变形，因此可对移动质

量施加常量力实现。若要考虑梁体自重引起的变形，应采用位移接触法。

生死单元法

生死单元法如前所述，首先在移动质量到达的梁体节点上均创建质量单元，并全部杀死。然后，当质量移动到某个节点时激活该处的质量单元，并杀死原来激活的质量单元，如此循环实现移动质量作用下的结构动力分析。因质量单元与梁体节点是同一个，假定激活第i节点的质量单元，该处的质量单元反应与激活第i-1节点质量单元时梁体第i节点位置处的反应相等，也就相当于忽略了后两项的影响，因此生死单元法计算的梁体反应时程曲线与不计后两项理论结果的时程曲线几乎重合，包括位移解和加速度解。因质量单元的节点与梁体的节点为同一节点，所以移动质量反应与理论解相同，当有多个移动质量时该法比较繁琐，因此不推荐用此方法。

位移接触法

位移接触法分别建立梁单元和质量单元，并在他们之间建立接触对，然后通过对质量单元的节点施加水平位移实现质量的移动。采用此法，移动质量可移动到梁的任何位置而不必是梁体节点位置，所以在两移动点之间可采用渐变荷载方式（KBC=0），若采用阶跃荷载（KBC=1）可能会产生较大冲击。在荷载步之间可设置多个子步易于收敛，结果输出设置宜采用各荷载步的最终子步（LAST），此项设置对位移几乎没有影响，仅对加速度有一定影响。

在移动质量理论推导时，假定移动质量和梁不分离。而在ANSYS分析时，移动质量和梁体之间采用接触方法实现相互作用，因此可考虑分离和不分离两种情况。位移接触法计算结果与计入后两项的理论结果相同，当模型比较复杂时，如多移动质量、梁体自重影响、不平顺影响等多因素情况下，推荐使用位移接触法。

接触参数对计算结果有影响，主要影响参数是接触刚度，如弯曲为主时的接触刚度取0.01~0.1均可，其影响甚微，其余参数可采用缺省值，可通过分析位移时程和加速度时程选择适当的接触刚度。位移接触法不必考虑移动质量移动到梁节点位置，所以单元长度不必刻意限制，具有一定的单元数目即可，但为获得更好的加速度反应，应限制移动荷载步长的大小，即每移动一次为一个荷载步时的时间步长不宜过大。此外，接触问题要打开大变形，并且输出控制中宜仅输出每个荷载步的最后子步结果，以获得较光滑的加速度结果。

特别地，若考虑梁体自重变形的影响，也就是考虑不平顺（自重变形）影响，L/2动位移趋势基本不变，但数值明显增大，梁体加速度和移动质量加速度也有明显改变，并且移动质量与梁体有分析现象，不再满足“不分离假定”。在ANSYS 中可采用施加重力加速度（ACEL）实现，而不再用施加常量力实现。

3算例分析

在ANSYS中通过位移接触法计算等截面简支梁匀速移动质量弹簧系统作用下的振动反应，可以得到简支梁各个截面的动力响应时域曲线，图1是简支梁L/4、L/2截面在相应车速时的动力响应图。

ANSYS中求解时一直关闭动态积分效应，做多荷载步的静态分析，便可计算出相应的静位移，通过求解的静位移动位移来计算出冲击系数。图2是简支梁L/4、L/2截面的静位移图，表1是L/4、L/2截面动位移和静位移的计算结果。

(1) 车速为10km/h

(2) 车速为20km/h

(3) 车速为30km/h m

m

m

m

m

m

m m

(4) 车速为40km/h

(5) 车速为50km/h

图1 L/4、L/2截面计算动位移时域曲线

图2 L/4、L/2截面计算静位移曲线 表1 跑车试验动位移和静位移计算结果

冲击系数表征了桥梁结构动力效应的综合指标，按照下式计算：

（1）

式中：f dmax ——最大动位移；

f jmax ——最大静位移。

按照式（1）计算相关截面的冲击系数，并整理计算结果如下表。

表2 跑车试验冲击系数计算结果 以上是位移接触法在车桥耦合中的应用过程，由于篇幅限制，就不作其他方法应用的介绍，有兴趣的读者可参阅相关文献。

m

m

1

1-max

max

-=

=j d f f δμm

m