(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210604081.0 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 中国电建集团华 东勘测设计 研究院 有限公司 地址 310014 浙江省杭州市下城区潮王路 22号 (72)发明人 黄嘉思　詹远辉　陈骥　李毅　 蒋雨骎　 (74)专利代理 机构 杭州九洲专利事务所有限公 司 33101 专利代理师 韩小燕　沈敏强 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/13(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种结合VFIFE和FEM的索-梁-塔耦合振动 数值模拟方法 (57)摘要 本发明涉及一种结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑ 塔耦合振动数值模拟方法。 适用于振动仿真领 域。 本发明所采用的技术方案是： 提供了一种结 合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方 法， 步骤1、 根据索 ‑梁‑塔体系中构件的结构刚 度， 将所述构件划分为VFIFE分析构件和FEM分析 构件， 并确定 所述VFIFE分析构 件和所述FEM分析 构件的连接点Ji位置， 建立混合数值模型； 步骤 2、 对混合数值模型中的所述VFIFE分析构 件和所 述FEM分析构件分别进行前处理操作； 步骤3、 定 义积分时程与步长， 在每一个积分步长内对索 ‑ 梁‑塔结构体系进行位移和内力的迭代求解； 步 骤4、 判断积分终止条件 是否满足， 若所述积分终 止条件满足， 则执行步骤5， 否则重复步骤3； 步骤 5、 输出数值模拟数据。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115034106 A 2022.09.09 CN 115034106 A 1.一种结合VFIFE和FE M的索‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特 征在于， 包括： 步骤1、 根据索 ‑梁‑塔体系中构件的结构刚度， 将所述构件划分为VFIFE分析构件和FEM 分析构件， 并确定所述VFIFE分析构件和所述FEM分析构件的连接点Ji位置， 建立混合数值 模型； 步骤2、 对混合数值模型中的所述VFIFE分析构件和所述FEM分析构件分别进行前处理 操作； 步骤3、 定义积分时程与步长， 在每一个积分步长内对索 ‑梁‑塔结构体系进行位移和内 力的迭代求 解； 步骤4、 判断积分终止条件是否满足， 若所述积分终止条件满足， 则执行步骤5， 否则重 复步骤3； 步骤5、 输出 数值模拟数据。 2.根据权利要求1所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特征 在于， 步骤1中， 所述VFIFE分析构件 包括拉索； 所述FE M分析构件 包括主梁和索塔。 3.根据权利要求1或2所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特 征在于， 步骤2中， 对所述VFIFE分析构件进行 前处理操作， 包括： 步骤2.1、 将VFIFE分析构件离 散为用无质量单 元连接的质点群， 表示 为： x＝{x1， n； x2， n； ...； xN， n}＝{(x1， y1， z1)； (x2， y2， z2)； ...； (xN， yN， zN)} 步骤2.2、 获取所述VFIFE分析构件的材料特性， 所述材料特性包括弹性模量、 截面积、 材料密度和阻尼系 数； 选用无质量单元 的类型， 所述无质量单元 的类型包括梁单元和杆单 元； 定义系统阻尼系数、 各质点在初始时刻t0的空间位置xN， 0、 初始速度 初始加速度 质点力fN， 0和外力PN， 0； 步骤2.3、 获取 连接点Ji位置和荷载信息 。 4.根据权利要求3所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特征 在于， 步骤2中， 对所述FE M分析构件进行 前处理操作， 包括： 步骤2.4、 对FEM分析构件进行单元划分， 获取FEM分析构件的材料特性， 组集整体刚度 矩阵[K]、 整体质量矩阵[M]和整体阻尼矩阵[C]； 步骤2.5、 定义步骤2.4中FEM分析构件划分得到的各单元在初 始时刻t0的动位移矩阵{ δ (t0)}、 速度矩阵 加速度矩阵 和整体外荷载矩阵[F(t0)]； 步骤2.6、 获取 连接点Ji位置和荷载信息 。 5.根据权利要求4所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特征 在于， 步骤3中， 所述迭代求 解包括： 步骤3.1、 对连接点Ji进行固结约束， 即在前后相连的两个时刻tn和tn+1中， 假定连接点 Ji的空间位置固定， 表示 为： xJib， n+1＝xJia， n 其中， xJib， n+1为连接点Ji在tn+1时刻的假定空间位置， xJia， n为连接点Ji在时刻tn的真实 空间位置； 采用中心差分法作为VFIFE分析过程中的积分方法， 根据时刻tn的质点空间位置 xN， n、 质点力fN， n和外力PN， n求解时刻tn+1的质点空间位置xN， n+1； 步骤3.2、 由虚拟的逆向运动和虚 功原理求解各质点在时刻tn+1的质点力fN， n+1；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115034106 A 2步骤3.3、 释放连接点Ji的固结约束， 将VFIFE分析过程中求得的连接点Ji的质点力 fJi， n+1及对应的外力PJi， n+1组集到FE M分析构件的整体外荷载矩阵[F(tn+1)]中； 步骤3.4、 选用逐步积分法作为FEM分析过程中的积分方法， 求解时刻tn+1的FEM分析构 件划分得到的各单元的动力响应， 所述动力响应包括时刻tn+1的动位移矩阵{ δ(tn+1)}， 速度 矩阵 和加速度矩阵 步骤3.5、 提取连接点Ji的动位移δJi， n+1， 得到连接点Ji在时刻tn+1的真实空间位置， 表示 为： xJia， n+1＝xJia， n+δJi， n+1 并将所述真实空间位置作为 边界信息反馈 至下一时刻的VFIFE分析 过程中。 6.根据权利要求5所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特征 在于， 步骤3.1中， 所述采用中心差分法作为VFIFE分析过程中的积分方法， 根据时刻tn的质 点空间位置xN， n、 质点力fN， n和外力PN， n求解时刻tn+1的质点空间位置xN， n+1， 表示为： 其中， mN为质点N的质量； h为积分步长； xN， n‑1为时刻tn‑1的质点空间位置； C为VFIFE分析构件的阻尼系数矩阵。 7.根据权利要求5所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特征 在于， 步骤 3.2中， 所述由虚拟的逆向运动和虚功原理求解各质点在时刻tn+1的质点力fN， n+1， 表示为： 其中， i和j分别表示无质量单元两端所连接的两个质点的编号； num表示连接质点N的 无质量单 元总个数； Ec为拉索的弹性模量， Ac为拉索的截面积， fe为无质量单 元产生的内力。 8.根据权利要求5所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法， 其特征 在于， 步骤3.4中， 选用逐步积分法作为FEM分析过程中的积分方法， 求解时刻tn+1的FEM分析 构件划分得到的各 单元的动力响应， 表示 为： 9.一种计算机存储介质， 其特征在于， 所述计算机存储介质内存储有计算机程序； 所述 计算机程序在计算机上运行时， 使 得计算机执行权利要求 1至8任一所述的结合VFIFE和FEM 的索‑梁‑塔耦合振动数值模拟方法。 10.一种计算机程序产品， 其特征在于， 当所述计算机程序产品在计算机上运行时， 使 得计算机执行如权利要求1至8任一所述的结合VFIFE和FEM的索 ‑梁‑塔耦合振动数值模拟 方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115034106 A 3