武汉鹦鹉洲长江大桥如波浪晃动?仿真模拟告诉你不用慌!

2020年4月26日下午,武汉多名司机反映鹦鹉洲长江大桥出现呈波浪形的上下晃动,像坐小型过山车一般,且出现头晕的感觉,一时引起市民们的一阵恐慌。

▲ 4月26日武汉鹦鹉洲长江大桥晃动现场视频

武汉鹦鹉洲长江大桥是湖北省武汉市第八座长江大桥,2010年8月开工建设,2014年12月28日正式建成通车,是世界首座主缆连续的三塔四跨悬索桥,也是世界同类桥梁中跨度最大的三塔四跨悬索桥。

看到这个新闻,不禁让人想起1940年美国塔科马海峡大桥坍塌事件

 

塔科马大桥是一座跨海悬索桥,号称当时世界第三;大桥于1940年7月1日建成通车,却于1940年11月7日,在风速为19m/s的情况下,加劲梁经受70 min的剧烈振动后垮塌,振动中主跨1/4点附近扭角振幅约±35°。

 

▲ 塔科马大桥坍塌历史图像
塔科马桥垮塌后,由美国公共道路局及华盛顿州收费桥梁当局联合发起了大规模的气动调查研究,研究表明该桥损毁源自“卡门涡街”;而“卡门涡街”是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡; “卡门涡街”在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域均有重要应用。

随着计算机仿真的日趋成熟,有研究人员运用计算机仿真程序做出了最新的研究,模拟考虑了频率为0.2 Hz的反对称扭转振型(塔科马桥损毁时出现过该振型)及相应的频率为0.13 Hz的竖向弯曲振型,同时也运用了水洞实验来验证数值结果。研究表明,塔科马海峡大桥坍塌时存在大型旋涡沿桥面板移动,现已知扭转失稳由旋涡脱落引起,故提高气动稳定性以防止大型旋涡的形成为目标,并进一步表明如能有效防止大型旋涡的形成,一个自由度的扭转失稳在一定程度上是可以控制的


实际上,塔科马海峡大桥自建成后就经常晃动,且程度较大,而武汉鹦鹉洲大桥平时晃动的程度非常小,在桥上几乎感觉不到此次鹦鹉洲大桥晃动特别厉害,或许就是风经过桥塔或主梁后产生的“卡门涡街”造成的桥梁共振但是,在前人悲惨的教训和众多科研成果的支撑下,桥梁设计师们已经考虑到了这些因素的影响,并在以安全为要素的前提下,设计出了这座宏伟的鹦鹉洲长江大桥,所以市民们无需恐慌。

 

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感兴趣的朋友可在SOLIDWORKS中自行建立悬索桥模型,再运用SOLIDWORKS Simulation对该悬索桥进行风荷载分析,也可进行频率分析、动态分析等模拟,来测试桥梁的安全性。

本文参考文献:《60年后塔科马大桥的空气动力研究》

SOLIDWORKS仿真攻略丨等幅载荷高周疲劳的分析应用

疲劳破坏是我们经常碰到的一种现象,本次我们将针对等幅高周疲劳的相关知识及分析过程做简要介绍。
【疲劳破坏】
一种损伤积累的过程,有以下特点:
①在循环应力远小于静强度极限(见材料的力学性能)的情况下破坏就可能发生,但不是立刻发生,而要经历一段时间,甚至很长的时间;
②疲劳破坏前,即使塑性材料(延性材料)有时也没有显著的残余变形。
高周疲劳:
交替应力大小适中,在材料中几乎不产生或只产生很小的塑性变形,在这种载荷下的零件,在失效发生前可以承受最高循环次数103-106,对于此类问题,通常采用应力-寿命(S-N)的方法来。
低周疲劳:
交替应力具有较高的数值,并产生显著的塑性变形(本次分享不做探讨)。
【S-N曲线】
等幅载荷:
等幅的应力循环具有相同的交替应力幅及平均应力。等幅疲劳由交替应力、平均应力、应力比率及周期数四个参数完全定义。
负载类型:
 
载荷比率:
案例分析:
篮筐,材料铝合金7075-T6(sn),对篮筐前端施加向下的作用力1000N,对篮筐背面采用固定约束,使用高品质网格,线性求解,分析篮筐在循环次数10000次,LR=0的情况下的疲劳结果。
点击此处 > 查看案例操作视频

SOLIDWORKS Simulation攻略丨网格技巧这样用,真巧妙!

 

随着计算机运算速率的提高,数值模拟方法被广泛的应用到力学的各个领域,其中有限元法以它通用、灵活的特点而被作为一种常见的用于求解关于场问题偏微分方程近似解的数值方法。当然,有限元法并不是唯一的分析方法,如有限差分法、有限体积法、边界元法等,以及近年来发展迅速的无网格法(Meshlfree Mothed)用于解决有限元法较难处理的特大变形、裂纹扩展、奇异性等问题,有兴趣的小伙伴们可以自行深入学习了解。

有限元法作为基于网格的算法,数学模型和离散化后的有限元模型必然会产生无法避免的误差,因此网格的划分质量直接关系到我们是否能够得到一个更加精确的解,划分网格(离散化过程)也是成为了我们做分析过程中至关重要的一步。

在划分网格之前,我们首先要了解有限单元的类型,在SOLIDWORKS Simulation中,共有5种单元类型:一阶实体四面体单元、二阶实体四面体单元;一阶三角形壳单元、二阶三角形壳单元和横梁单元,我们可以把这三类单元理解为分别用来解决实体结构、薄壁结构(纵向尺寸远小于平面尺寸)、梁结构(纵向尺寸远大于平面尺寸)的分析问题,而一阶单元是草稿品质,二阶单元是高品质。

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实体单元
 
一阶单元:
四面体具有4个节点,每个节点3个自由度,6条边线均为直线,4个面均为平面,在单元加载变形后,这些边和面仍保持为直线和平面的状态。

二阶单元:
四面体具有10个节点,每个节点3个自由度,6条边线为二阶函数(抛物线形),加载变形后,线和曲面可以为曲线型状态:

壳单元

一阶单元:

类似实体单元,一阶单元有3个节点(分布在角点上),每个节点6个自由度,变形前后如下图所示:

二阶单元:

每个高品质单元6个节点,包括3个角点和3个中间点,变形后可模拟曲线形状。

横梁单元

2个节点,每个节点6个自由度,把轴向平移和扭转模拟为线性,两节点梁单元的形状在初始为平直的,但在变形后可以为一个三次方的函数。

网格品质的选择:

对于草稿品质单元,无论实体或壳,仅在对特定目标作初步分析时使用,如证实载荷、约束的方向或计算反作用力;对于准备用来作最后计算的算例,以及在应力分布非常重要的区域应采用高品质网格。

备注:在2020版本之前,分析只能统一使用草稿品质或高品质网格;在2020版本的新功能中,可以根据实际需要混合使用草稿单元和高品质单元,但需注意在不同单元类型网格的交界处,即使单元角部节点是重合的(兼容网格),仍然有可能出现不连续的应力场,而且在交界处的应力可能大幅度的增大,因此在混合使用不同类型单元时,应确保其交界处远离所关心的区域,并仔细检查分析结果是否正确。

 

案例分析

某悬臂支架吊起500N的重物,在重力的作用下,分析支架当前固定端的扭矩情况,未标明的接头均以销钉接头处理,左侧三条梁的节点处圆柱面分别采用固定约束、固定约束和铰链约束,其中套杆内加载了预载400N的弹簧,轴向刚度1000NM。

按要求设定好边界条件后,先将所有网格作为草稿品质网格,网格精度默认,试算。

 

得到了关于弹簧单元的错误提示,因此首先需要细化弹簧接头处网格,使用默认值,以使计算不会再出现上述问题,同时选用基于混合曲率生成网格,使用默认值,如下图所示,并重新计算。

 

本分析目的主要是想了解梁端的扭矩情况,因此在应力图解的高级选项中选择3条杆件展示结果如下图:

 

由上图可见,轴孔处单元也相对较少,而且红色范围区域并未占据两个单元格,因此结果应该不足以反应真实状况,通过右键【结果】-【列出合力】读取两梁出的扭矩如下图:

 

备注:对于扭矩的输出要使用自有体力,因此在计算之前,应在仿真树第一条右击算例名称,【属性】中勾选【自有实体力】;模型中,以轴孔圆心创建参考点。

 

上梁处的扭矩为:44.8N.M

 

下梁处扭矩为:46.6N.M

 

细化网格:
对轴孔处圆柱面网格进行网格控制。

重新读取扭矩:

按需求使用高品质网格:
由于此时所有构件均采用草稿品质网格,而我们重点分析的为两根梁结构,因此,在网格选项中将两根梁结构设置为高品质网格:
右键【网格】-【生成网格】-【网格品质】选项卡将【臂】和【下臂】改为高品质网格。

全部采用高品质网格后的结果:

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结论
可以看出使用部分高品质网格和全部使用高品质网格的结果是几乎相等的,而全部使用高品质网格也会花费更多的时间成本,因此在做计算分析之前,首先应该明确分析目标,其次逐步将关注的区域网格细化,并根据需求混合使用高品质和草稿品质网格,这样的话就能够在花费更少的时间内得到相对精确的解。

SOLIDWORKS 仿真攻略丨带接头的装配体分析

从SOLIDWORKS Simulation的角度来看,装配体的零部件一开始都是分离的,直到定义了合适的接触条件或接头来描述装配体零部件之间的相互作用。

采用数学上的接头来替代创建一个真实的接头模型,会极大地加快分析的进程。因为这样会减少网格和接触的数量,因此求解速度也将提高很多。

当分析一个带接头的装配体时,通常并不需要分析接头本身,而只需对接头周围的部分进行分析。

SOLIDWORKS Simulation提供以下几种接头:

下面我们一起来进行一个实例分析,在这个实例分析中,我们将会运用到销钉这个接头,虚拟壁以及固定铰链这两类夹具。

【实例分析——升降架装配体】

剪刀升降架承受外部载重1800N水压柱筒作用,载荷均匀地传递到剪刀架的各臂上,我们需要分析架子各部位的位移和应力。

由于我们不关系基座的位移和应力,我们可以在仿真时将其不考虑在内,取而代之的是柔性【虚拟壁】来模拟滑块下表面和基座上表面之间的接触。

如上图是我们在做仿真时用到的模型及定义的边界条件及载荷:

1. 支撑架和基座之间的连接定义为【铰链】,会限制径向和轴向的位移;

2. 在四个支撑臂之间定义两个刚性【销钉】接头,在支撑臂和滑块之间定义两个刚性【销钉】接头,在所有销钉中,允许连接零部件之间的相对旋转,但相对平移是被约束的;

3. 为了模拟由水压柱筒提供的支撑,选择连接slider 的圆柱面并约束全局坐标X 方向平移 (朝活塞杆方向)。

我们可以看到四个支撑臂的四个承载端都发生了沿圆孔轴向的位移,这在实际结构中会发生吗?

实际结构中,这上面会有两个滚筒将两边的支撑臂相连,所以,下面我们在这四个圆孔处添加一个高级夹具,来约束他们的轴向位移。

我们在做仿真的时候,更重要的是对比分析我们的结果,通过结构来判断我们的边界条件有没有真实反应出我们的结构,从而才能更好的运用仿真结果来指导我们的设计。

接下来我们不仅可以看应力和位移结果,还可以提取接头力、反作用力、接触和摩擦力等等哦,大量的后处理操作等着你呢。

*视频教程,请点击链接进行查看:https://www.bilibili.com/video/av73696973/

SOLIDWORKS 仿真攻略丨让带接触的装配体分析不再复杂

与零件相比较,装配体在分析的过程中多了零件与零件之间受力过程,而这个过程在我们软件中是采用接触来表征的。所以,要想做好装配体的分析,必须理解软件中各种接触的含义和使用情况

在装配体算例中,Simulation Study树中会出现一个【连结】的文件夹,需要在该选项下指定如何将零部件连接在一起。

在Simulation中,接触分三个层级:全局接触、零件接触和局部接触,这三种类型接触的优先级如下图所示,局部接触比零部件接触具有更高的优先权,而全局接触受制于其他零部件接触,局部接触条件优先于全局和零部件接触条件,未指定零部件或局部接触条件的所有相触面使用全局接触条件。

其中【全局接触】是顶层装配体默认选项,通常可以删除并重新定义;

【零部件接触】用于定义零部件之间相互连接的方式,可选的选项如下图所示:

【局部接触】中在零部件接触的三种接触类型的基础上,还有冷缩配合和虚拟壁这两种接触类型,如下图所示:

了解了这些基本知识后,开始对装配体进行分析:

以虎钳的“挤压”工况为例,虎钳(普通碳钢)对一块钢板进行挤压,虎钳的末端受到450N的压力,通过使用零部件接触和相触面组分别进行计算,最后不使用简化模型,使用相触面组进行计算

在分析之前,首先对模型进行简化处理,由于对虎钳和钢板之间受力并不关注,而平板的形变也近似为0,因此通过给予虎钳合适的约束条件来取代平板。对于装配体的接触,由于嵌体和销钉之间虽然是相对静止的,但它们彼此之间存在滑移的趋势,因此采用“无穿透”配合来处理。具体操作步骤如下:

01使用零部件接触计算

在设置好材料属性(合金钢)、外部载荷(钳臂处450N)之后,右键【连接】-【零部件接触】-【无穿透】,勾选【全局接触】或者选取三个零部件;由于在分析过程中,无需考虑摩擦力因此不勾选该选项;

采用默认网格进行计算后,得到应力及位移结果如下图所示:

02 使用相触面组计算

复制算例后,其他操作均同上,右键【连接】-【相触面组】,可以手动设置各个接触面,或者通过自动查找功能,如下图所示:共找出5个接触面(左钳臂外侧面和销钉外侧面;

左钳臂内侧面和右钳臂内侧面;

左钳臂内孔面和销钉;

右钳臂内孔面和销钉;

右钳臂外侧面和销钉外侧面)。

采用默认网格进行计算后,得到应力及位移结果如下图所示:

可以看出这两种方式最终得出的结果基本是相同的,也表示这两种接触的设置方式所设置的接触方式所表征的力的传递方式是相同的。

03 网格细化及控制

在分析中,只采用了默认的网格选项,通过局部的受力情况可以发现,结果是明显不够准确的,因此对于受力集中的区域需要采用足够的网格控制

首先,选取其中的一块区域应用网格控制,设置如下图所示,由于不清楚调整网格后的计算结果能否满足精度要求(计算结果收敛,两次细化网格后的应力结果差异<5%),故只调整一块区域,待结果满足要求后,再将其他关注区域做同等设置即可满足要求。

随后,通过三次修改网格精度,得到最终结果如下图所示:

最后,将其他需要关注的区域添加到第2步设置的网格控制中,设置如下图所示:

最终得到的结果如下图所示:

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