本發(fā)明涉及數(shù)值模擬，特別涉及一種橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、橋梁顫振是一種負(fù)阻尼驅(qū)動的氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，一旦發(fā)生就可能造成橋梁倒塌，如1940年舊塔科馬大橋的風(fēng)毀事故就是由顫振導(dǎo)致的。因此，現(xiàn)代大跨度橋梁在設(shè)計階段就要杜絕顫振發(fā)生的可能性。近十幾年來，國內(nèi)外研究學(xué)者在風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，許多鈍體橋梁斷面和大攻角下的流線型斷面都表現(xiàn)出用經(jīng)典scanlan線性自激力模型無法解釋的自限幅振動現(xiàn)象，該現(xiàn)象后被國內(nèi)外學(xué)者稱為“軟顫振”或非線性極限環(huán)顫振。此外，在線性顫振設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下，大跨度橋梁的設(shè)計與建設(shè)成本巨幅增加，嚴(yán)重阻礙了大跨度橋梁的進(jìn)一步發(fā)展。目前在風(fēng)洞試驗中主要采用豎向扭轉(zhuǎn)兩自由度彈簧懸掛裝置進(jìn)行節(jié)段模型試驗研究，因此觀察到的主梁斷面非線性顫振主要表現(xiàn)為單自由度扭轉(zhuǎn)或兩自由度彎扭耦合的振動形式。同時，建立的也主要是單自由度和兩自由度非線性自激力模型，而鮮有考慮側(cè)向運(yùn)動對非線性顫振及其自激力的影響。

2、由上可見，如何識別與側(cè)向振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，提高幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別的準(zhǔn)確性和普遍性是本領(lǐng)域有待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)，能夠識別與側(cè)向振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，提高幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別的準(zhǔn)確性和普遍性。其具體方案如下：

2、第一方面，本技術(shù)公開了一種橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析方法，包括：

3、對橋梁斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到流場區(qū)域，對所述流場區(qū)域進(jìn)行劃分，并定義邊界條件和區(qū)域類型，以生成網(wǎng)格文件，根據(jù)業(yè)務(wù)需求編譯開發(fā)程序；

4、利用流體力學(xué)軟件并基于所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序?qū){維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解，以得到當(dāng)前時間步長的升力、扭矩以及阻力；

5、對所述網(wǎng)格文件中的所述流場區(qū)域的剛性區(qū)域的速度進(jìn)行更新，以得到更新后的所述網(wǎng)格文件；

6、判斷當(dāng)前時間步長是否小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，若當(dāng)前時間步長小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，則重復(fù)執(zhí)行基于更新后的所述網(wǎng)格文件對納維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解的流程，直至當(dāng)前時間步長不小于時間步長閾值，然后判斷所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況是否全部計算完成；

7、若所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況未全部計算完成，則重復(fù)執(zhí)行編譯開發(fā)程序的流程，直至所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況全部計算完成，以得到所有的升力、扭矩和阻力；

8、對所有的升力、扭矩和阻力進(jìn)行幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別及計算，以得到與豎彎振動相關(guān)、與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)以及與側(cè)彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，利用所述幅變顫振導(dǎo)數(shù)對所述橋梁斷面進(jìn)行橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析。

9、可選的，所述對橋梁斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到流場區(qū)域，包括：

10、利用gambit軟件對橋梁斷面的二維主梁斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到流場區(qū)域。

11、可選的，所述對所述流場區(qū)域進(jìn)行劃分，并定義邊界條件和區(qū)域類型，以生成網(wǎng)格文件，包括：

12、對所述流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分和區(qū)域劃分，并定義流場區(qū)域的邊界條件和區(qū)域類型，以生成網(wǎng)格文件；所述網(wǎng)格劃分的類型包括剛性區(qū)域和動網(wǎng)格區(qū)域；所述邊界條件包括左側(cè)邊界條件、右側(cè)邊界條件、上側(cè)邊界條件、下側(cè)邊界條件以及橋梁斷面表面條件。

13、可選的，所述根據(jù)業(yè)務(wù)需求編譯開發(fā)程序，包括：

14、根據(jù)業(yè)務(wù)需求并利用編程軟件編譯用戶定義函數(shù)的開發(fā)程序；所述用戶定義函數(shù)的開發(fā)程序用于控制橋梁斷面的各自由度上的速度和頻率的開發(fā)程序。

15、可選的，所述利用流體力學(xué)軟件并基于所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序?qū){維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解之前，還包括：

16、將所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序輸入至初始流體力學(xué)軟件，并為所述初始流體力學(xué)軟件設(shè)置邊界條件及求解參數(shù)，然后進(jìn)行流場初始化，以得到初始化的流場計算值。

17、可選的，所述利用流體力學(xué)軟件并基于所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序?qū){維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解，包括：

18、利用流體力學(xué)軟件中的湍流模型并基于所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序，采用simple-consistent算法和有限體積法對納維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解；所述湍流模型為剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-ω模型。

19、可選的，所述對所有的升力、扭矩和阻力進(jìn)行幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別及計算，以得到與豎彎振動相關(guān)、與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)以及與側(cè)彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，包括：

20、從所有的升力、扭矩和阻力中篩選出與豎彎振動相關(guān)的數(shù)據(jù)，在單自由度強(qiáng)迫振動條件下對與豎彎振動相關(guān)的數(shù)據(jù)計算，以得到豎彎振動的自激力，然后利用最小二乘法對豎彎振動的自激力計算，以得到與豎彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)；

21、從所有的升力、扭矩和阻力中篩選出與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)的數(shù)據(jù)，在單自由度強(qiáng)迫振動條件下對與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)的數(shù)據(jù)計算，以得到扭轉(zhuǎn)振動的自激力，然后利用最小二乘法對扭轉(zhuǎn)振動的自激力計算，以得到與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)；

22、從所有的升力、扭矩和阻力中篩選出與側(cè)彎振動相關(guān)的數(shù)據(jù)，在單自由度強(qiáng)迫振動條件下對與側(cè)彎振動相關(guān)的數(shù)據(jù)計算，以得到側(cè)彎振動的自激力，然后利用最小二乘法對側(cè)彎振動的自激力計算，以得到與側(cè)彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)。

23、第二方面，本技術(shù)公開了一種橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析裝置，包括：

24、網(wǎng)格文件生成模塊，用于對橋梁斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到流場區(qū)域，對所述流場區(qū)域進(jìn)行劃分，并定義邊界條件和區(qū)域類型，以生成網(wǎng)格文件，根據(jù)業(yè)務(wù)需求編譯開發(fā)程序；

25、瞬態(tài)求解模塊，用于利用流體力學(xué)軟件并基于所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序?qū){維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解，以得到當(dāng)前時間步長的升力、扭矩以及阻力：

26、更新模塊，用于對所述網(wǎng)格文件中的所述流場區(qū)域的剛性區(qū)域的速度進(jìn)行更新，以得到更新后的所述網(wǎng)格文件；

27、判斷模塊，用于判斷當(dāng)前時間步長是否小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，若當(dāng)前時間步長小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，則重復(fù)執(zhí)行基于更新后的所述網(wǎng)格文件對納維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解的流程，直至當(dāng)前時間步長不小于時間步長閾值，然后判斷所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況是否全部計算完成；

28、工況計算完成模塊，用于若所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況未全部計算完成，則重復(fù)執(zhí)行編譯開發(fā)程序的流程，直至所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況全部計算完成，以得到所有的升力、扭矩和阻力；

29、幅變顫振導(dǎo)數(shù)計算模塊，用于對所有的升力、扭矩和阻力進(jìn)行幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別及計算，以得到與豎彎振動相關(guān)、與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)以及與側(cè)彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，利用所述幅變顫振導(dǎo)數(shù)對所述橋梁斷面進(jìn)行橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析。

30、第三方面，本技術(shù)公開了一種電子設(shè)備，包括：

31、存儲器，用于保存計算機(jī)程序；

32、處理器，用于執(zhí)行所述計算機(jī)程序，以實現(xiàn)前述的橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析方法。

33、第四方面，本技術(shù)公開了一種計算機(jī)存儲介質(zhì)，用于保存計算機(jī)程序；其中，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)前述公開的橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析方法的步驟。

34、可見，本技術(shù)提供了一種橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析方法，包括對橋梁斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到流場區(qū)域，對所述流場區(qū)域進(jìn)行劃分，并定義邊界條件和區(qū)域類型，以生成網(wǎng)格文件，根據(jù)業(yè)務(wù)需求編譯開發(fā)程序；利用流體力學(xué)軟件并基于所述網(wǎng)格文件和所述開發(fā)程序?qū){維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解，以得到當(dāng)前時間步長的升力、扭矩以及阻力；對所述網(wǎng)格文件中的所述流場區(qū)域的剛性區(qū)域的速度進(jìn)行更新，以得到更新后的所述網(wǎng)格文件；判斷當(dāng)前時間步長是否小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，若當(dāng)前時間步長小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，則重復(fù)執(zhí)行基于更新后的所述網(wǎng)格文件對納維-斯托克斯方程進(jìn)行瞬態(tài)求解的流程，直至當(dāng)前時間步長不小于時間步長閾值，然后判斷所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況是否全部計算完成；若所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況未全部計算完成，則重復(fù)執(zhí)行編譯開發(fā)程序的流程，直至所述開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況全部計算完成，以得到所有的升力、扭矩和阻力；對所有的升力、扭矩和阻力進(jìn)行幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別及計算，以得到與豎彎振動相關(guān)、與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)以及與側(cè)彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，利用所述幅變顫振導(dǎo)數(shù)對所述橋梁斷面進(jìn)行橋梁非線性顫振模態(tài)特征分析。本技術(shù)首先對橋梁斷面數(shù)值模擬出的流場區(qū)域進(jìn)行劃分，定義邊界條件及區(qū)域類型，生成網(wǎng)格文件，并編譯開發(fā)程序，能夠讓橋梁斷面分別做單頻率等幅的單自由度豎彎振動、扭轉(zhuǎn)振動和側(cè)彎振動，然后利用流體力學(xué)軟件進(jìn)行瞬態(tài)求解，以得到當(dāng)前時間步長的升力、扭矩以及阻力，對網(wǎng)格文件中的流場區(qū)域的剛性區(qū)域的速度進(jìn)行更新，判斷當(dāng)前時間步長是否小于預(yù)設(shè)時間步長閾值，若不小于，則判斷開發(fā)程序中不同參數(shù)對應(yīng)的所有工況是否全部計算完成，若全部計算完成，則對所有的升力、扭矩和阻力進(jìn)行幅變顫振導(dǎo)數(shù)識別及計算，得到與豎彎振動相關(guān)、與扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)以及與側(cè)彎振動相關(guān)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，與自由振動試驗方法相比，本技術(shù)能夠識別包含側(cè)向自由度在內(nèi)的幅變顫振導(dǎo)數(shù)，與強(qiáng)迫振動試驗相比，本技術(shù)在具有較高精度的同時，更加經(jīng)濟(jì)，十分適合廣泛推廣應(yīng)用，具有較強(qiáng)的普遍性。