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拱桥三维建模及倒塌模拟分析

作　者: 宋亮亮
导　师: 张新军；彭卫兵
学　校: 浙江工业大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 拱桥建模集成策略程序开发离散元倒塌模拟
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 70次
引　用: 1次
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内容摘要

桥梁是国民经济重要的枢纽工程。自桥梁开始施工起,就受到各种荷载和环境变迁的作用,严重的甚至可以导致桥梁的倒塌破坏,造成严重的人员伤亡和经济损失。本研究系统的开展了如下几个方面的研究以实现对桥梁倒塌全过程仿真模拟:首先,在系统查阅国内外文献及详细对比相关设计软件的基础上,形成了拱桥建模的基本参数列表。其次,研究了基于布尔运算、周边转折点、变宽点和折板法的截面表达以及移动、复制、拉伸、渐变等基本的三维建模方法,结合以上技术建立了拱桥有限元计算模型;其中,基于布尔运算的截面表达方法实现了具有工程语义的截面设计特征参数与实体几何面之间的映射,方便进行快速的拱桥参数化建模。第三,系统的研究基于Facade的设计模式,通过引入一个Facade对象,减小了系统中各子系统之间的关联,为一个复杂系统提供相对简单接口,为系统容错、构件组织、图形显示和系统计算等功能提供了相互独立的系统模块。第四,采用C#程序设计语言,在Microsoft Visual DotNet2005环境下开发了基于OpenGL技术的拱桥建模三维图形显示平台,实现了拱桥建模的可视化操作及多文档的设计界面。第五,研究了基于COM技术的有限元计算模块的集成方法和系统子模块之间数据交换方法,以充分利用和集成以往相关设计及计算模块。最后以堤溪沱江大桥为分析案例。在结合自行开发的分析系统基础上,利用离散元工具模拟了在一定倒塌工况下该桥的倒塌过程;倒塌模拟结果与堤溪沱江大桥倒塌现场数据进行了对比,进而论证了离散单元法(3MDEM)进行桥梁倒塌全过程分析的可行性。本研究结果表明,采用C#2.0,进行面向对象程序开发,以OpenGL为图形平台,并以一定的集成策略集成有限元核心计算程序,可以较好的进行拱桥承载能力计算。在此基础上,结合和离散元计算核心程序,可以进一步完成模拟拱桥倒塌全过程,为桥梁倒塌事故调查提供有力的计算机辅助工具。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-29
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 土木工程领域倒塌仿真研究进展  14-18
    1.2.1 建筑领域中的倒塌仿真技术  14-15
    1.2.2 桥梁领域中的倒塌仿真技术  15-16
    1.2.3 倒塌仿真在桥梁领域研究的不足  16
    1.2.4 系统集成技术在本研究中的应用  16-18
  1.3 桥梁CAD的研究概述  18-22
    1.3.1 国外的发展历史和现状  19-20
    1.3.2 国内的发展历史和现状  20-22
  1.4 结构断裂倒塌的数值方法  22-26
    1.4.1 连续介质力学方法  23-24
    1.4.2 非连续介质力学方法  24-25
    1.4.3 拟采用的数值方法  25-26
  1.5 研究的目的和意义  26-27
  1.6 本文的主要工作  27-29
第二章肋拱桥建模技术  29-57
  2.1 建模设计基本流程  29-30
  2.2 构件截面设计  30-44
    2.2.1 工程化截面定义方法  31-34
    2.2.2 基于特征参数法的截面类设计  34-36
    2.2.3 基于二叉树分区的几何图形学描述  36-39
    2.2.4 与AUTOCAD的交互操作  39-43
    2.2.5 面向用户的截面设计界面  43-44
  2.3 基本的三维建模方法  44-50
    2.3.1 直线型实体和直线拉伸  44-45
    2.3.2 曲线型实体和曲线拉伸  45-48
    2.3.3 渐变处理  48-50
  2.4 建立构件的组织关系  50-55
    2.4.1 主从构件和构件树  51-52
    2.4.2 构件的单元划分  52-53
    2.4.3 单元和节点编号  53-55
  2.5 误差处理  55-56
  2.6 本章小结  56-57
第三章离散元及拱桥块体模型建模技术  57-72
  3.1 离散元基本原理  57-60
    3.1.1 单元的离散  57-58
    3.1.2 单元间的接触行为  58-59
    3.1.3 离散元法求解流程  59-60
  3.2 3DEC程序简介  60-63
    3.2.1 模型建立  61-62
    3.2.2 材料参数设置  62-63
    3.2.3 边界条件和初始条件  63
    3.2.4 循环迭代至平衡状态  63
  3.3 拱桥块体模型建模工具  63-71
    3.3.1 建模的基本思路  64
    3.3.2 基础工作  64-68
    3.3.3 建模过程详述  68-69
    3.3.4 参数界面及建模实例  69-71
  3.4 本章小结  71-72
第四章拱桥倒塌模拟分析系统设计  72-106
  4.1 系统设计方法  72-75
    4.1.1 开发语言及平台简介  72-73
    4.1.2 设计模式介绍  73-74
    4.1.3 面向方面(Aspect oriented Programming)系统架构  74
    4.1.4 基于Facade模式的系统架构  74-75
  4.2 系统功能定义  75-80
    4.2.1 系统功能确定  76
    4.2.2 系统接口  76-77
    4.2.3 接口文件数据格式说明  77-80
    4.2.4 系统集成方法  80
  4.3 系统功能及流程设计  80-105
    4.3.1 系统层次结构  80-81
    4.3.2 各层关系设计  81-82
    4.3.3 类的设计  82-87
    4.3.4 各个类之间关系的设计  87-90
    4.3.5 系统内拱桥设计界面展示及说明  90-102
    4.3.6 与Midas进行对比计算  102-105
  4.4 本章小结  105-106
第五章堤溪沱江大桥的倒塌模拟  106-118
  5.1 工程设计  106-107
    5.1.1 失事过程和现场状况调查  106
    5.1.2 原因分析  106-107
  5.2 堤溪沱江大桥有限元分析  107-112
    5.2.1 模型的建立  107-110
    5.2.2 模型计算分析  110-112
  5.3 堤溪沱江大桥倒塌模拟  112-116
    5.3.1 模型的建立  112-114
    5.3.2 模拟过程及结果分析  114-116
  5.4 本章小结  116-118
第六章结论与展望  118-120
  6.1 研究的主要成果  118
  6.2 需要进一步研究的内容  118-120
参考文献  120-125
致谢  125-126
攻读硕士学位期间发表的文章  126-127
攻读硕士学位期间参与的项目  127

拱桥三维建模及倒塌模拟分析

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