圬工拱桥垮塌过程模拟前后处理关键技术研究

论文摘要

近年来，由于设计、施工、超载和使用环境条件等各方面的原因，发生了多起桥梁垮塌事故。因此，研究桥梁垮塌机理，探究桥梁垮塌原因，显得尤为迫切。随着计算机三维仿真技术的高速发展，采用计算机仿真技术模拟研究桥梁倒塌过程是一种经济、实用并且可行的研究方法。鉴于此，本研究以圬工拱桥垮塌过程为研究对象，研究圬工拱桥垮塌所需的计算机辅助关键技术，主要研究内容包括：第一部分：针对圬工拱桥建模难度较大，耗时费力，并且具有不可重复性等特点，本研究建立如下圬工拱桥三维有限元建模方法。1)截面拉伸，以定义的基准面，沿指定的方向及长度，拉伸形成桥梁实体。2)三维实体交叉并算法，基于计算机图形学原理对三维实体进行交、叉、并等运算，形成特定的几何体3)设计模型输出的接口格式，形成可供OpenSEES计算的有限元模型第二部分：基于OpenGL图形库，采用面向对象程序开发语言C#，系统地开发了桥梁垮塌有限元分析后处理系统，主要内容包括：1)有限元静力计算结果的可视化，通过建立的一系列类以及几何算法，显示计算结果的应力及位移云图。2)桥梁倒塌全过程动力计算结果的可视化，针对单元生死模拟技术，设计了单元显示的动态更新和删除算法，全过程动态模拟桥梁的倒塌过程。3)测点布置方案及测点应力提取算法，采用冒泡排序法，建立了通过节点快速查找相关节点的算法，进一步利用三角单元已知节点应力，通过形函数插值计算出单元中测点的应力值。4)实体单元剖分算法的实现，以六面体实体单元为例，基于面与线段计算交点的原理，完成面与实体单元的相交面的计算。5)关键截面内力积分算法的实现与验证，将关键截面进行三角网划分，利用截面内力等效积分原理计算。6)大文件读取算法，采用堆栈分步读取计算结果数据，读取与显示模型动力计算结果同时进行。最后，本文以堤溪沱江大桥为例，与课题组成员共同建立了包含前处理、有限元计算和后处理的圬工拱桥倒塌全过程分析系统。本文研究表明：首先，采用OpenGL图形库，结合C#语言，可形象地模拟桥梁倒塌全过程。其次，建立可靠的关键截面内力计算方法为桥梁垮塌全过程分析提供了工程师所熟悉的截面内力值，为分析桥梁垮塌机理提供了有效的技术。最后，通过建立和完善桥梁建模方法，为桥梁的快速三维建模提供了可靠的手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 桥梁倒塌过程研究现状
• 1.2.1 桥梁倒塌研究方法
• 1.2.2 可视化平台建模研究
• 1.2.3 系统开发设计思想
• 1.3 本文的研究目的及意义
• 1.4 主要开发工具
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 前处理三维建模技术研究
• 2.1 前处理系统构架
• 2.1.1 开发语言简介
• 2.1.2 前处理系统框架
• 2.2 参数化建模理念
• 2.3 三维建模关键方法研究
• 2.3.1 工程截面的定义方法
• 2.3.2 特征参数化截面类设计
• 2.3.3 基于二叉树分区的几何图形学描述
• 2.3.4 DXF 文件的读取
• 2.4 圬工拱桥三维建模技术研究
• 2.4.1 建模关键技术研究
• 2.4.2 类关系的设计
• 2.4.3 构件组织依赖关系
• 2.4.4 圬工拱桥建模界面及展示
• 2.5 OpenSEES 数据输出接口
• 2.5.1 OpenSEES 简介
• 2.5.2 OpenSEES 数据格式
• 2.5.3 OpenSEES 接口的实现
• 2.6 本章小结
• 第3章 三维实体模型的任意剖分及截面内力计算
• 3.1 实体模型剖分及截面内力计算研究现状
• 3.2 实体模型剖分总流程
• 3.3 单个实体单元剖分
• 3.3.1 六面体实体单元剖分
• 3.3.2 无限面剖分三角形
• 3.3.3 矩形面剖分三角形
• 3.3.4 六面体单元剖分过程
• 3.3.5 剖分效果图
• 3.4 大规模实体单元剖分
• 3.4.1 实体单元剖分算法
• 3.4.2 消除剖面重复节点
• 3.4.3 剖面节点的应力值插值计算
• 3.5 实体模型的截面内力分析
• 3.5.1 截面轴力、剪力及弯矩计算
• 3.5.2 截面内力方向的确定
• 3.6 截面内力计算应用与验证
• 3.6.1 QLJC 截面内力计算应用与验证
• 3.6.2 ABAQUS 截面内力计算验证
• 3.6.3 ABAQUS 截面内力积分计算
• 3.7 大文件读取
• 3.7.1 提取原模型信息
• 3.7.2 读取文件接口的实现
• 3.7.3 解决的关键技术
• 3.8 连续剖分内力计算
• 3.8.1 建立模型
• 3.8.2 确定剖面
• 3.8.3 连续剖分截面及截面内力计算
• 3.9 系统各个类之间的关系
• 3.10 本章小结
• 第4章 三维实体模型测点应力与位移计算
• 4.1 测点应力及位移计算算法
• 4.1.1 确定测点实体单元
• 4.1.2 剖分测点单元
• 4.1.3 确定测点三角形剖分单元
• 4.1.4 三角形单元形函数插值算法
• 4.1.5 测点应力投影计算
• 4.1.6 测点位移值计算
• 4.2 计算实例应用
• 4.3 本章小结
• 第5章 后处理三维显示平台研究
• 5.1 后处理系统介绍
• 5.1.1 后处理图形平台
• 5.1.2 后处理系统功能
• 5.1.3 后处理系统类关系
• 5.2 后处理三维图形变换
• 5.2.1 平移变换
• 5.2.2 比例变换
• 5.2.3 绕坐标轴的旋转变换
• 5.2.4 绕任意坐标轴的旋转变换
• 5.3 模型效果图
• 5.3.1 视图效果
• 5.3.2 模型显示类型效果
• 5.4 模型应力云图的实现流程
• 5.4.1 应力磨平
• 5.4.2 高斯积分点应力值外推计算
• 5.4.3 主应力的计算
• 5.5 应力颜色插值算法
• 5.5.1 应力颜色的定义
• 5.5.2 计算节点应力分量极值
• 5.5.3 节点应力颜色插值算法
• 5.5.4 模型应力云图效果
• 5.6 模型位移云图的实现流程
• 5.6.1 节点位移的计算
• 5.6.2 计算节点位移极值
• 5.6.3 节点位移颜色插值算法
• 5.6.4 模型位移云图效果
• 5.7 截面应力云图的实现
• 5.7.1 空间截面二维变换
• 5.7.2 空间截面旋转的实现
• 5.7.3 截面云图效果
• 5.8 实体单元生死模拟的实现
• 5.9 本章小结
• 第6章 系统程序应用
• 6.1 引言
• 6.2 工程设计
• 6.3 前处理建模
• 6.4 后处理显示及关键截面内力分析
• 6.4.1 静力计算结果可视化应用
• 6.4.2 静力计算模型关键截面内力积分应用
• 6.4.3 动力计算结果可视化应用
• 6.4.4 动力计算模型关键截面内力积分应用
• 6.5 关键位置单元的应力及位移的查询
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文研究的主要成果
• 7.2 需进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的文章
• 攻读硕士学位期间参与的项目