单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法与流程

本发明属于桥梁结构分析和有限元建模技术领域，涉及一种单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法。

背景技术：

单箱多室箱梁具有其良好的结构性能，其截面抗扭刚度大、能有效地抵抗正负弯矩、施工方便、截面使用效率高等，在桥梁工程中得到了广泛应用。随着新建箱梁桥宽度越来越大，荷载等级越来越高，结构的受力性能及特点越来越复杂，依据传统的平面杆系规范计算结果相对实际状况误差越来越大，箱梁的精细化设计显得尤为重要。

近年来，得益于有限元技术不断发展以及计算机性能快速提高，箱梁精细化分析研究得以成为可能。作为目前最精确的计算方法之一，空间有限元实体单元法的计算结果更加接近箱梁实际受力状态，有利于正确指导箱梁设计，为箱梁的设计、分析提供更加合理的技术保障。但将实体单元法运用在箱梁全桥结构计算时还存在一些问题。单箱多室箱梁结构较为复杂，存在倒角变化、顶底板加厚和腹板加宽等变化因素，技术人员在对这种变截面建模时，通常采用有限元软件自带的网格划分功能，通过剖切面切割强制划分单元的方式实现，这种方法往往费时费力，容易产生奇异单元，影响计算精度和效率。因此，如何便捷准确地构建单箱多室箱梁实体单元模型，在桥梁设计和科学研究中具有迫切需求。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可适用于大部分有限元实体单元分析软件，提高计算的准确性和效率，便于对大批量箱梁进行计算研究，具有广泛的适用性和可扩展性的单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法，其特征在于：所述单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法包括以下步骤：

1)读取单箱多室箱梁基本几何数据，根据计算需求设定单元划分大小；所述单箱多室箱梁基本几何数据包括箱梁顺桥向的横梁长度、加厚段长度、渐变段长度、常规段长度、和箱梁截面箱室数、宽度、高度、顶底板厚度、腹板宽度、倒角以及悬臂长度；

2)根据步骤1)设定的单元大小，计算单箱多室箱梁有限元实体单元模型所有节点编号和坐标；

3)计算单箱多室箱梁有限元实体单元模型所有单元的节点编号；

4)根据有限元软件具体要求，输出特定格式的节点编号坐标和单元节点编号，并结合有限元软件进行后续处理。

作为优选，本发明所采用的步骤2)中计算单箱多室箱梁有限元实体单元模型所有节点编号和坐标的具体实现方式是：

2.1)根据设定单元大小，计算单箱多室箱梁横梁、加厚段、渐变段以及常规段的顺桥向合理截面数；计算箱梁截面各区域横桥向和垂直桥面方向的合理单元数，箱梁截面各区域包括悬臂区，顶板腹板区、顶板空腔区、腹板区、底板腹板区以及底板空腔区；

2.2)根据顺桥向截面数，遍历箱梁所有截面，计算每个截面的节点编号和坐标。

作为优选，本发明所采用的步骤2.2)的具体实现方式是：

2.2.1)通过箱梁基本几何数据线性插值，确定当前截面腹板宽度、顶底板厚度和倒角大小，根据步骤2.1)中确定的合理单元数，重新确定各区域单元大小；

2.2.2)根据节点编号确定节点在截面的位置，结合所处区域单元大小和截面顺桥向位置，计算节点三维坐标。

作为优选，本发明所采用的步骤3)中计算箱梁所有单元的节点编号的具体实现方式是将箱梁截面内距离最近的四个节点，和箱梁顺桥向相邻截面对应的四个节点，共八个节点组成一个六面体实体单元，据此遍历计算所有单元的节点编号。

作为优选，本发明所采用的步骤4)中有限元软件是指abaqus、ansys或midasfea；所述结合有限元软件中进行后续处理有两种方式：第一种是将单元节点信息导入有限元软件中，生成实体单元模型，在有限元软件中添加约束荷载进行计算求解，并采集处理分析结果；第二种是生成单元节点信息后，进一步通过编程添加约束、求解、采集处理分析结果，之后整体导入有限元软件，计算后自动将所需结果输出至指定文件。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法，包括读取单箱多室箱梁基本几何数据，设定单元划分大小；计算单箱多室箱梁实体单元模型顺桥向合理截面数目，遍历所有截面各区域，计算节点编号和坐标；计算所有单元的节点编号；根据有限元软件具体要求，输出特定格式的节点编号坐标和单元节点编号，并结合有限元软件进行后续处理。通过本发明提供的方法，计算单箱多室箱梁实体单元模型的节点编号坐标和单元节点编号，能有效控制网格质量、网格密度和网格单元尺寸，不会出现奇异单元，提高有限元计算分析结果的精度。本发明实现过程中，箱梁单元和节点信息是外部编程计算获得，而无需利用有限元软件的网格划分功能，可适用于大部分有限元实体单元分析软件，适用范围广；也方便预留数据接口，为后处理采集分析结果提供数据支撑。本发明的方法具有通用性，可方便对箱梁进行批量计算，解决了箱梁批量计算时精度低和过程繁琐的问题，为其优化设计和科研计算提供有力工具。

附图说明

图1是本发明以单箱双室为例在计算节点编号坐标时的箱梁截面区域划分图；

图2是节点坐标计算实例p点在箱梁截面的位置；

图3是箱梁实体单元模型三维图；

图4是箱梁跨中截面附近实体单元模型三维图；

图5是箱梁梁端截面附近实体单元模型三维图；

图6是箱梁支点附近的部分变截面实体单元模型；

其中：

1-悬臂区；2-顶板腹板区；3-顶板空腔区；4-腹板区；5-底板腹板区；6-底板空腔区。

具体实施方式

本发明提供了一种单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法，该单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法包括以下步骤：

一种单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法，该单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法包括以下步骤：

1)读取单箱多室箱梁基本几何数据，根据计算需求设定单元划分大小；单箱多室箱梁基本几何数据包括箱梁顺桥向的横梁长度、加厚段长度、渐变段长度、常规段长度、和箱梁截面箱室数、宽度、高度、顶底板厚度、腹板宽度、倒角以及悬臂长度；

2)根据步骤1)设定的单元大小，计算单箱多室箱梁有限元实体单元模型所有节点编号和坐标，其中计算单箱多室箱梁有限元实体单元模型所有节点编号和坐标的具体实现方式是：

2.1)根据设定单元大小，计算单箱多室箱梁横梁、加厚段、渐变段以及常规段的顺桥向合理截面数；计算箱梁截面各区域横桥向和垂直桥面方向的合理单元数，箱梁截面各区域包括悬臂区，顶板腹板区、顶板空腔区、腹板区、底板腹板区以及底板空腔区；

2.2)根据顺桥向截面数，遍历箱梁所有截面，计算每个截面的节点编号和坐标：

2.2.1)通过箱梁基本几何数据线性插值，确定当前截面腹板宽度、顶底板厚度和倒角大小，根据步骤2.1)中确定的合理单元数，重新确定各区域单元大小；

2.2.2)根据节点编号确定节点在截面的位置，结合所处区域单元大小和截面顺桥向位置，计算节点三维坐标。

3)计算单箱多室箱梁有限元实体单元模型所有单元的节点编号：其中计算箱梁所有单元的节点编号的具体实现方式是将箱梁截面内距离最近的四个节点，和箱梁顺桥向相邻截面对应的四个节点，共八个节点组成一个六面体实体单元，据此遍历计算所有单元的节点编号。

4)根据有限元软件具体要求，输出特定格式的节点编号坐标和单元节点编号，并结合有限元软件进行后续处理：其中，有限元软件是指abaqus、ansys或midasfea；结合有限元软件中进行后续处理有两种方式：第一种是将单元节点信息导入有限元软件中，生成实体单元模型，在有限元软件中添加约束荷载进行计算求解，并采集处理分析结果；第二种是生成单元节点信息后，进一步通过编程添加约束、求解、采集处理分析结果，之后整体导入有限元软件，计算后自动将所需结果输出至指定文件。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容并不局限于下面的实施例。

实施例1：

单箱四室箱梁恒载横向分布效应的有限元实体单元计算：

某公路互通立交桥跨径组合为3×30m，上部结构采用单箱四室现浇预应力混凝土连续箱梁，直腹板形式，箱梁顶宽19.5m，底宽15.5m，梁高1.6m，悬臂2m，悬臂端部厚0.18m，根部厚0.45m，顶底板厚均为0.3m～0.45m，腹板宽0.45～0.6m，箱梁倒角0.2m×0.6m，支点处端横梁宽1.2m，中横梁宽2m，各跨横梁附近设置5m加厚(宽)段，2.5m渐变段，全桥平面位于直线上。现分析研究自重作用下箱梁跨中截面腹板的应力横向分布特征。本次试验采用vb编程语言编写适用于有限元分析软件的命令流，之后导入有限元软件运行，有限元软件将分析结果直接导出至文件。命令流的编程实现包括以下步骤：

1、读取箱梁几何数据：根据箱梁实际尺寸，在程序中设置箱梁跨径、纵向加厚段、渐变段和常规段长度，以及箱梁截面宽度、高度、顶底板厚度、腹板宽度、倒角、悬臂长度等数据，并设定单元划分大小0.3m。

2、计算箱梁所有节点编号坐标：根据设定单元大小0.3m，程序自动计算出各区域截面合理数目：中横梁区7个、端横梁区5个，加厚段16个、渐变段8个，常规段42个。对于每个截面，横桥向：悬臂区1的数量是6个，顶板腹板区2的数量是2个、顶板空腔区3的数量是10个、腹板区4的数量是2个、底板腹板区5的数量是2个、底板空腔区6的数量是10个；垂直桥面方向：悬臂区1的数量是3个，顶板腹板区2的数量是3个、顶板空腔区3的数量是3个、腹板区4的数量是5个、底板腹板区5的数量是3个、底板空腔区6的数量是3个。

依次遍历箱梁顺桥向截面，计算各截面节点编号坐标，以距离梁端15m的截面p节点(位置见图2)为例，计算过程如下：

(1)计算p点所在截面几何数据：p点所在截面距离梁端15m，经插值计算，截面顶底板厚度为0.3m，腹板宽度为0.45m，倒角为0.2m×0.6m，空腔区长度3.3125m，其余参数同箱梁其他截面。

(2)计算p点编号和坐标：遍历至p点时，节点编号达到25360，根据各区域单元数和节点编号规则，得出p点处于顶板空腔区，计算节点坐标：

x坐标(横桥向)＝腹板厚×2+空腔区长度+4×(空腔区长度/顶板空腔区单元个数)＝0.45×2+3.3125+4×(3.3125/10)＝5.5375m；

y坐标(垂直于桥面方向)＝-(p点所在空腔区高度/顶板空腔区单元个数)＝-0.3/3＝-0.1m；

z坐标(顺桥向)＝15m。

3、计算箱梁所有单元的节点编号：遍历计算所有单元的节点编号，每个单元的节点编号计算方法为：由于每个箱梁截面共516个节点，取箱梁截面内距离最近的四个节点编号，各增加516，即为相邻截面对应的四个节点，前后共八个节点组成一个六面体实体单元。

4、输出指定格式的节点编号坐标、单元节点编号、计算和后处理部分命令流。

利用n、e等命令建立箱梁节点编号坐标和单元节点编号，生产有限元实体单元模型，见图3～6；添加自重荷载和约束条件，求解计算；输出计算结果至本地文件，在此基础上进行应力横向分布特征研究。有限元软件运行命令流后直接生成的结果文件内容见表1。

表1箱梁跨中截面底部应力计算结果

实施例2：

单箱五室箱梁拉应力偏心增大系数的实体单元有限元批量计算

某30m简支箱梁上部结构采用单箱五室混凝土结构，研究箱梁几何参数变化对偏心增大系数的影响程度。现以部分参数变化为例说明计算流程：桥宽变化(22m、23m、24m、25m)、腹板宽变化(0.4m、0.45m、0.5m)和顶底板厚度变化(0.25m、0.3m、0.35m)。

本次试验首先将各箱梁数据批量输入excel表格，编程读取excel表格的箱梁几何数据，遍历生成所有箱梁的建模、计算和数据采集命令流，导入有限元软件运行，将所有箱梁分析结果直接导出至文件。单个箱梁命令流的编程实现如下：

步骤1、2、3同实施例1。步骤4中，建立箱梁节点编号坐标和单元节点标号，添加约束条件，设置偏心汽车活载和对称汽车活载两种工况，求解计算并提取两工况下各计算截面的最大拉应力，取其比值即得各计算截面偏心增大系数，结合车道折减系数可得箱梁偏心增大系数，将其输出至本地文件，在此基础上进行偏心增大系数影响程度研究。

有限元软件运行命令流后直接生成的结果文件内容见表2。

表2箱梁偏心增大系数批量计算结果