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[有限元分析] 优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用

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CATIA标准件 发表于 2019-4-4 10:04:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
CATIA标准件
2019-4-4 10:04:00 3251 0 看全部
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用98
  BIM技术是以计算机技术为基础,建立建筑工程完整信息的数字模型,从而对建筑物的真实信息进行仿真,并对建筑工程的设计、施工、运维进行全生命周期的优化和管理。BIM 是一种新理念。新技术,它改变了设计师的思维方式和维度。BIM技术的应用范围越来越广,已经从建筑行业逐步扩展到交通、水利等行业。
  将BIM技术引入桥梁工程,尤其是在设计方案优化、施工过程模拟、工程量计算、碰撞检测等方面发挥其优势,提高建筑信息的集成化程度,使专业人员进行协同工作,保证了整个桥梁工程的质量,显着提高了桥梁设计和施工的管理水平及效率。
  由于目前BIM技术相关软件缺乏与其他行业相关软件的接口,导致BIM技术应用难以与有限元分析软件紧密结合。传统力学分析软件在建模能力上比较薄弱,难以绘制钢筋及曲面等不规则图形,对于复杂节点难以用模型表示。因此将BIM技术与有限元软件相结合共同应用于桥梁工程中,既能发挥BIM技术的优势,发挥BIM软件强大的建模功能,又能运用有限元分析软件来分析结构的安全性。
  有限元分析技术
  有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元),就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
  有限元分析软件比较
  Ansys软件,在结构的线性分析方面比较擅长,流体方面最擅长。注重应用领域的拓展,目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域;Abaqus软件,集中于结构力学和相关领域研究,致力于解决该领域的深层次实际问题(功能仅局限于结构力学领域)。求解非线性问题时具有非常明显的优势。没有流体模块。更多的单元种类(管道、接头等)、材料模型(可模拟钢筋混凝土、金属、高分子材料等)、接触和连接类型。
  有限元分析方法的发展趋势
  1.当今有限元分析软件的发展趋势是与通用CAD软件的集成使用,即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,能直接将模型传送到CAD软件中进行有限元网格划分并进行分析计算。如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。
  2. 更为强大的网格处理能力。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否,各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入,使网格生成的质量和效率都有了很大的提高。但在有些方面却一直没有得到改进,如对叁维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分,除了个别商业软件做得较好外,大多数分析软件仍然没有此功能。
  3. 由求解线性问题发展到求解非线性问题。非线性问题的求解是很复杂的,它不仅涉及很多专门的数学问题,还必须掌握一定的理论知识和求解技巧,故而学习起来较为困难。为此,国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件,如ADINA、ABAQUS等。
  4. 程序面向用户的开放性。由于用户的要求千差万别,因此必须给用户一个开放的环境,允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充,包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等。
  BIM技术可以应用于工程项目的设计、建造、运营维护全生命周期的管理中,通过参数模型整合各种项目的相关信息,在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递,使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对,为设计团队、建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础,在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。BIM不是简单的将数字信息进行集成,而是一种数字信息的应用。这种方法支持建筑工程的集成管理环境,可以使建筑工程在其整个进程中显着提高效率、大量减少风险。BIM将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等项目参与方关联在同一平台上,共享同一建筑信息模型,有利于项目可视化、精细化建造。
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用68

  BIM技术与桥梁工程的结合
  应用案例概况
  泰和北赣江特大桥是广昌至吉安高速公路主线跨越赣江的标志性构造物。桥长1075.08米,主桥采用 63+110+110+63预应力混凝土变截面连续箱梁,引桥采用11×40+7×40先简支后连续预应力混凝土T梁。目前桥梁结构正在进行上部箱梁施工,预计 2019 年 5 月建成通车。
  本案例BIM技术的应用点
  1. 桥梁构件库建模、引桥的参数化建模、变截面箱梁的参数化建模。
  2. 工程量的统计、剖面图生成。
  3. 桥梁BIM模型与有限元分析软件的结合应用。
  4. 碰撞检测。通过叁维模型,检查钢筋、预应力钢筋以及混凝土构件之间相互关系,复核设计图纸,验证施工时的可操作性。
  5. 桥梁BIM协同管理系统应用。
  6. 桥梁施工模拟、场地模拟、漫游展示。
  BIM 技术结合有限元技术的应用
  Abaqus,ANSYS等有限元软件在桥梁施工,桥梁动、静力计算上具有独特的优势,如桥梁的应力分布、变形情况、自振频率、振形、地震响应特征、失稳特征等。本论文将BIM技术与有限元技术的联合应用主要体现在以下方面:
  直接将BIM模型导入HYPERMESH中进行网格划分,定义接触与约束,将划分好的有限元模型导入ANSYS中施加荷载,实现桥梁结构的桥梁模态分析、谐响应分析、结构动力响应分析。
  由于REVIT建立的 BIM模型均是实体构件,因此在倒入有限元模型后,用实体单元SOLID45模拟。
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用8
  模态分析
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用50
  模态分析
  模态分析
  模态是结构的固有特性,能够得到系统每一阶模态的频率和阵型,根据贡献最大的那一阶模态来设计隔振系统,也可以根据阵型和共振频率设计激振系统。
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用21
  谐响应分析
  谐响应分析
  谐响应分析的目的是为了分析结构振动响应在不同频率下的曲线。其通用的运动方程为
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用83
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用13
  式中:为节点速度向量, 优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用9
  为节点位移向量, 优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用19
  为节点加速度向量,
  为施加到结构上的荷载向量, 优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用51
  为质量矩阵,
  为阻尼矩阵, 优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用45
  为刚度矩阵。对桥梁结构模型进行谐响应分析,得到位移、速度、加速度随频率的变化,确定桥梁的共振频率以及结构对不同频率的响应特性。谐响应分析在桥梁结构有限元模型上的具体加载形式:在结构跨中加一个幅值38kN的作用力,取荷载频率变化范围0-20Hz,每1Hz求解一次,提取结构的,对关键点在谐响应下的位移、加速度进行分析。
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用99
  时域分析
   优化设计降本增效BIM+有限元技术在泰和北赣江特大桥上应用22
  频域分析
  动力特性分析
  为了分析桥梁结构的振动特性,选取货车以38t的荷载,以80Km/h的速度单轮匀速通过桥梁结构段,选取梁端结构关键点进行动力特性分析。
  结果分析
  1.对桥梁模型进行模态分析,从频率的增长趋势看,第一阶固有频率向各高阶固有频率的增长缓慢,没有明显跳跃,振型的形状并不复杂,说明结构的动力性能较好。
  2. 通过谐响应分析,得到结构不同的敏感点出现的位移峰值主要集中在1-10Hz,所以桥梁结构的振动响应属于低频振动。
  3. 通过对结构的动力特性进行分析,可以看出,随着车辆的移动,关键点的振动响应逐渐减少,在振动响应最大的位置,结构的位移值较小,结构特性较为安全,将结构关键点的时域,转换为频域后,结构的振动响应主要集中在0-20HZ的低频振动。
  BIM 技术和有限元技术在桥梁工程应用的效果有:缩短了设计和分析之间的周期;增加了桥梁工程的可靠性;优化设计,增加了设计实现功能;降低了材料的消耗和成本;在施工前可以预先发现潜在的问题;可以利用分析模型进行事故的分析,查找事故的原因;模拟各种施工实施方案,减少了试验的时间周期、成本和费用。因此,在设计阶段工程师对各种技术参数进行计算分析,预测和分析出桥梁工程的技术性能。将BIM技术与有限元技术结合,可以对桥梁结构以及桥梁结构的关键部位进行有限元分析,对结构的安全性进行评价,起到辅助设计、优化方案的作用。
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