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Midas NFX CAE/CFD 土木領域流固耦合(FSI)案例

"印象大橋風場及結構流固耦合分析"

南崁溪印象大橋,是一座S造型之造景橋,主要提供腳踏車和行人使用,並橫跨南崁溪和經國路橋。考量印象大橋非傳統橋樑,另外位於南崁溪風口容易有不穩定氣流,傳統計算方法無法有效考慮此現象,此外風洞實驗成本高,另外等比例的簡化模型在Cable預力施加和材料選用容易有誤差產生。採用電腦輔助分析進行流場和結構場耦合分析,可以使用等比例模型和材料,另外可以考慮不同類型風場條件,在條件定義上較有彈性,並可進行極端條件預測。

在此案件採用midas NFX CAE/CFD分析軟體進行橋樑風場共振和強度分析,此分析案分成三大步驟,依續是前處理、CFD流場分析、CAE分析。前處理首先將橋體和地形3D模型繪制,接著將模型進行網格劃分,並依照分析條件進行定義。使用CFD流場分析進行風場計算,並提取風場對於橋體產生之風壓數據。進行CAE分析除了考慮活載重和死載重,同時計算風壓之影響,針對橋體強度和自然頻率進行計算。

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橋體依照設計圖面進行3D模型繪制,風場和地形,以橋為中心半徑400公尺區域,高度275公尺進行3D模型繪制。接著將模型進行網格劃分,結構模型採用1D/2D/3D混合建模,結構網格數目:246358。風場模型採用3D網格,風場網格數目:5901286 。

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3D 數值模型-印象大橋橋體
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3D 數值模型-風場與地形

風是不可控因素,確保風場條件能符合地形和結構安全要求,首先查詢桃園境內桃園氣象監測站 、蘆竹氣象監測站 和新屋氣象監測站進行風場評估,桃園氣象站與印象大橋興建位置接近(距離約2公里),新屋氣象監測站則較靠近海邊。依照蒲福風級表比對數據,桃園市區最大陣風可達6~7級,在海邊則會達到14級風,此外最大陣風並無特定方位。其中印象大橋位於市區要發生10級風以上機會較低,但考慮到風場有可能受到地形效果影響,在此分析案中,分別進行1~14各級風和8個方位風向(東、西、南、北、東北、東南、西北和西南)分析。透過風場分析計算可以得到,不同風向和不同級風對於橋體受地形作用情況下空氣流速之分佈情況,並取得橋體結構受風壓大小。

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風壓結果-東風 14級 風壓結果-東風 14級

橋體結構首先計算未考慮風壓下整座橋體受鋼索預力影響,接著計算風壓和活載重對於橋體之影響,並可以根據分析結果協助辨別顫振及抖振發生可能性。

共振計算只考慮橋主體之共振,忽略鋼索共振之影響。首先計算橋體預力、風力、活載重和死載重作用下之結構情況,接著進行橋體共振值計算。

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橋體變形(mm) 鋼索-軸向力(N)

 

模態分析結果-1 模態分析結果-2
側向主控模態(Lateral Mode)
模態分析結果-3 模態分析結果-4
垂直主控模態(Vertical Mode)

 

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