移动车辆冲击荷载在ABAQUS中的模拟研究

胡兴宇

(土木工程学院（重庆交通大学）， 重庆 400041)

0 引言

在模拟车辆荷载计算时，移动荷载功能是必不可少的。ABAQUS中用户界面可以通过在结构表面通过partution命令创建移动荷载的轨迹，通过相邻的矩形方块组成，根据移动的速度和轨迹距离来激活相应的矩形方块荷载，但是如果轨迹长度非常长，会导致工作相当繁琐，分析步可能会成百上千，俗称“荷载移动带”。子程序可以完全解决这些问题，并且可以根据用户需要的方式继续模拟，大大减少了建模时间，计算结果十分精确，避免了多个分析步造成的错误。

1 子程序的编写

模拟车辆荷载的作用首先需要确定作用面积和速度，然而在ABAQUS软件中，作用面积是不能直接人为选定的，需要用户在模拟荷载时简单创建处荷载整个过程需要经过的轨迹，之后只需要在子程序中赋予每一个车辆的长度即可。

Abaqus已经可以通过python语言进行功能开发了，但本文采用通用数学Fortran语言进行编写。在用户手册中，荷载类型主要用DLOAD和UTRACLOAD两种，在车辆荷载模拟中，DLOAD主要用于模拟车轮竖向荷载，UTRACLOAD用于模拟车轮水平摩擦荷载。

DLOAD和UTRACLOAD编写格式类似，本节以

DLOAD为例编写。

DLOAD实现格式如下：

SUBROUTINE DLOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,

1 COORDS,JLTYP,SNAME)

C

INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

C

DIMENSION TIME(2), COORDS(3)

CHARACTER*80 SNAME

USER’S CODES

RETURN

END

上述代码中其实部分是子程序的固定模式，F代表的荷载值，KSTEP代表在第几个分析步时被调用，KINC即是代表增量步，TIME(1)和TIME(2)分别代表当前时间和总时间，这对用户控制变化荷载极为有用，NOEL和NPT分别代表单元号和积分点号，COORDS（I）用于激活移动荷载的方向，I=1、2、3分别代表下沿x、y、z方向与移动，用户只用通过IF从句赋予F即可模拟出荷载移动。

2 冲击荷载模拟

2.1 模型参数

车辆通过路面或者桥面时，遇到路面不平整将会产生跳车现象，本节根据这一现象模拟车辆后轮对桥面板的冲击进行模拟。

模型参数:混凝土材料选用C40，桥面板长为10m，宽为4m，厚度为0.4m，钢筋采用HRB335，分布在桥面板上层和下层，跳车车辆荷载峰值取30KN，采用文献中公式推导曲线，作用时间为0.03s。

2.2 模拟冲击荷载方法

由于跳车荷载时随着时间不断变化的，本文通过得到的冲击荷载曲线进行公式拟合，得到相应的公式，再通过一下条件语句赋予:

IF((X_NOW.GE.ROLL_1_1).AND.(X_NOE.LE.ROLL_1_0))THEN IF(KSTEP.EQ.1)THEN F=F(t) END IF ELSE F=0.0 END IF

将由于拟合函数的自变量赋予成时间t，可以实现荷载随着时间增长而不断变化，再其余未赋予荷载的路径上均为0。

由于车辆再行驶过程中冲击时间很小，其余时间均属于匀速状态，作用在桥面板的荷载时不变动的，需要在REAL关键字赋予相应的时间TIME1、TIME2等控制荷载移动过程的时间控制，如下所示实现：

Real*6 TIME1、TIME2、TIME3、V_CAR..

V_CAR=10E3 …

IF((X_NOW.GE.ROLL_1_1).AND.(X_NOE.LE.ROLL_1_0))THEN

IF(KSTEP.EQ.1)THEN

F=0.1

ELSE IF(KSTEP.EQ.2)THEN

F=SIN(2*3.14/0.06*(TIME(2)-0.1)) ！拟合公式

ELSE IF(KSTEP.EQ.3)THEN

F=0.1

END IF ELSE F=0.0 END IF

上述可以实现车辆匀速过程中突然的跳车冲击，但需要用户在step中赋予三段分析步来描述不同荷载作用状态。

3 结果分析

3.1 加速度分析

计算过程采用动力隐式模块进行求解，三个分析步分别设置为0.1s、0.03s和0.87s，经计算得到跳车时桥面板跨中的加速度时程曲线。

根据结果得知，车辆荷载在开始到0.1s是匀速前进，到达0.1s时发生跳车现象，跨中竖向加速度增大，振动响应剧烈，0.13s之后，随着车辆继续行驶，加速度开始下降，振动趋势稳定至0.5s，此时车辆荷载到达跨中，此处由于车轮驶过加速度曲线较为密集，0.5s后加速度值逐渐减小。可知子程序模拟移动冲击荷载是有效可行的。

3.2 应力分析

从odb文件中提取得到桥面板的等效应力云图，是可以明显看出车辆冲击的部位出现了明显的压应力，其值为0.2MPa左右。

4 小结

本文主要介绍了DLOAD子程序的编写和运行过程，UTRACLOAD使用方法与其类似，ABAQUS平台提供了非常人性化的界面与命令，用户可以根据自己的需要对子程序进行编写。通过全文的简单介绍得到了一下几点结论：

1）子程序的使用替代了传统的“荷载移动带”的方法，为设计节约了时间，同时减少了错误的发生，是种有效可行的方法。

2）通过Fortran语言可以解决大部分用户的需求，本文只模拟了一对车轮荷载，如果需要模拟多对车轮荷载，需要对代码进行补充，引入DISTANCE_ROLL参数来赋予前后车轮边之间的距离，便可以实现多个荷载模拟。

3）本文编写的子程序只对静力通用和动力隐式分析有效，但对于动力显示是无效的，由于隐式和显示的求解方程不同，导致子程序格式有些差异。

综上所述，ABAQUS平台功能强大，需要用户对编程语言较为熟悉，这样才能将许多繁琐的工作变得简单。