ADINA - 借助数值仿真手段科学分析虎门大桥晃动
近日，虎门大桥的异常晃动引起了大家的广泛关注，连带着以塔科马大桥为首的有过振动黑历史的系列桥梁，如东京湾大桥、伏尔加河大桥等也在各类科普文章中频繁出现。与之同时，颤振、涡振、卡门涡街等专业词汇在各文章中也被反复提及，这让力学系毕业的笔者颇为感慨，毕竟科普类文章的宠儿向来是“仰观宇宙之大，俯察品类之盛”之类或大气磅礴、或与生活息息相关的领域，而以机理性、定量化地认识自然与工程中的规律为目标的力学则较少受到青睐。
如今，虎门大桥事件已经基本尘埃落定，水马引起涡振的说法普遍得到了认可；各领域专家的专业分析都指出了虎门大桥不存在垮塌的危险；广东省交通运输厅组织的专家评审会也表明“虎门大桥悬索桥结构技术状况和承载性能保持稳定，此次振动未影响结构安全，桥梁关键构件钢箱梁、吊索、主索鞍、散索鞍、支座、伸缩缝等均未发现异常”。但作为热爱科学、勇于探索的新时代好青年，笔者当然希望能够更加直观的感受大桥晃动的情形，而不仅局限于随手拍摄的视频和照片。穿梭时空回到5月5日下午的虎门大桥对目前的技术手段而言几乎无法实现，但好在我们还有仿真。
CAE仿真，通常也叫做数值模拟，是指依靠计算机，结合特定的概念和方法，通过数值计算和图像显示的方式，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。目前，仿真技术已广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源、土木、材料、生物医疗等诸多领域。笔者所在的中仿智能科技（上海）股份有限公司就是一家中国先进的仿真技术高科技公司及仿真分析软件和系统解决方案的提供者。公司依靠自主创新研发拥有自主知识产权的中仿CAE系列产品，同时与国内外最优秀的数值仿真技术研究机构和企业保持长期而紧密的合作关系，能够为中国企业和科研机构提供世界一流的仿真技术解决方案。
对于仿真而言，充分的材料及模型数据是得到精确仿真结果的必要前提。由于缺少虎门大桥相关的关键性数据，以现有数据进行建模并对涡振原因进行分析意义并不大。好在本文今天也志不在此，仅仅是感受桥梁的振动并不需要太多的数据支持。本文将使用一款专业有限元ADINA软件完成仿真分析，该软件是全球领先的非线性及流固耦合求解软件，非常适合于大桥振动及涡激振动的模拟。
首先我们来建立一个桥梁模型，为了方便起见，本文建立了一个单跨斜拉桥，包含纵向箱梁、板梁、混凝土桥面、横向箱梁、桥塔及拉索，如下图所示。
在开始桥梁振动之旅之前，首先对桥梁在自重下的变形进行一次分析，得到桥梁的位移分布云图，如下图所示。可以看到，最大位移出现在桥梁两侧中心位置，但也只有0.1051英尺，换算过来大约是3.2厘米，可以说平时我们很难察觉到桥梁的变形。
在静载的基础上，利用重启计算对桥梁进行模态分析，就可以看到桥梁在不同频率下随风舞动的形态了，下面列出的是一至三阶模态下桥梁的振型。至此，我们实现了仿真桥梁振动的目标。
下面一步，我们将通过仿真完成对涡激振动的模拟，以云图呈现的仿真结果能够让我们直观的看到无处不在却又芳踪难觅的流场流动，相对于桥梁模态而言更具有观赏性。
为了简化计算，我们建立了二维圆柱绕流流场来形成涡街，同时建立了柔性一维结构来反映振动的结果，耦合模型如下图所示。
同样的，作为热身环节，我们先对初始流场进行稳态求解，这样既能够快速查看流体流动的速度场分布情况，又能为接下来的瞬态计算提供初始值。
接下来便是正式的耦合求解，所谓的耦合，即是指流体的流动会引起结构的变形与振动，而结构的变形又同时会改变流体的流动区域，因此只有通过耦合求解的方式才能够得到精确的最终结果。耦合求解通常是仿真中计算难度最高、求解耗时最长的一环，既要求仿真软件具有先进的求解算法，也需要仿真工程师具有丰富的求解经验。
经过数十分钟的求解，我们的模型也最终顺利完成了计算，通过对计算结果进行分析，可以查看到流场内涡的分布情况以及柔性结构末段的振动情况，至此，本文的仿真目标圆满完成。
通过文中的仿真分析，我们借助于ADINA软件强大的非线性及流固耦合计算功能，对桥梁的振动振型以及圆柱绕流涡激振动的流场分布进行了计算和描绘，希望能够增加大家对于CAE仿真的了解。文中描述如有不足之处，欢迎来信指正，对于案例里涉及到的方法和物理模型，边界条件，材料本构以及结果文件，请联系我们info@cntech.com
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