广东梅大高速塌方之痛：论CAE仿真的重要性！

纵横CAE

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不久前，广东梅大高速塌方造成了重大人员伤亡，引发了人们对于道路设计、勘察设计、建设施工、运维管理等多个方面的高度关注。

天灾还是人祸？这一事件让我们不得不深思：在科技如此发达的今天，是否存在预防和避免此类事故的手段？答案或许就隐藏在CAE仿真技术中。

CAE仿真技术能够模拟道路在不同气候、地质条件下的应力分布、变形情况，甚至精准预测道路的使用寿命，提前发现潜在问题并优化，帮助工程师提高工程设计和施工质量。

1.路面强度分析

高速公路在建设过程中，需要承受巨大的荷载，包括自重、车辆荷载等。因此，在设计高速公路时，需要考虑其结构强度。CAE仿真技术可以用来模拟这些荷载对高速公路的影响，评估其结构强度是否足够，从而为高速公路设计提供理论依据。

脉动荷载作用下沥青路面的应力强度时程曲线

基于CAE仿真结果，工程师们可以对高速公路的路面结构、路肩宽度、纵横坡度等参数进行优化设计，调整路肩宽度和材料、纵坡和横坡，使其更加符合行车安全要求，减少积水对行车安全的影响，提高道路的整体使用性能。

2. 动力学分析

车辆的行驶会对路面产生冲击，这种冲击会沿着路面向下传播，对路基产生影响。因此，在设计高速公路时，需要考虑车辆行驶的动力学效应，以确保路面和路基的稳定性。

CAE仿真技术可以用来模拟车辆行驶的动力学过程，包括轮胎与路面的接触、车辆的行驶速度、路面的变形等，从而评估高速公路的设计是否合理。

3. 道路交通仿真

CAE仿真可以用于模拟交通流、路面状况以及车辆行驶特性等方面，通过模拟道路交通系统的运行状态和交通流特性，对交通规划、设计和运营进行评估和优化，为城市交通规划和交通管理提供更加科学和有效的支持。

道路交通仿真技术基于流体力学、交通工程学、计算机图形学等多个学科的理论基础，通过建立数学模型模拟道路交通系统的动态特性，其发展注重智能化、精细化、实时化，通过引入人工智能、大数据分析等技术手段，提高仿真模拟的准确性和可靠性。

4. 安全设施设计

在道路安全设施设计中，CAE仿真可以模拟车辆与安全设施的碰撞过程，得到车辆行驶轨迹、结构防护导向、乘员风险和动态变形等指标，预测安全设施在实际碰撞中的表现，从而评估其安全性能。

通过CAE仿真技术，工程师们可以对高速公路的护栏、隔离墩、标线、标志等交通安全设施进行设计和优化，调整安全设施的结构、材料、尺寸等参数，提高其有效性和实用性，从而提升高速公路交通安全。

5. 疲劳耐久性分析

高速公路在长期使用过程中，会受到车辆荷载、气候条件等因素的影响，这些因素会使路面和路基产生疲劳损伤，降低其耐久性。CAE仿真技术可以用来模拟这些因素对路面和路基的影响，预测其疲劳寿命，从而指导高速公路的设计和维护。

广东梅大高速塌方事故给我们带来了深刻的教训。在这个科技日新月异的时代，工程师必须充分利用CAE仿真技术，设计出更加安全、可靠经济、环保的道路，为人们的出行保驾护航。

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[1] Safety evaluation for roadside crashes by vehicle–object collision simulation.

[2] Optimization of Barriers Structure Design Based on LS-DYNA Collision Analysis.

来源：纵横CAE

干货 | ANSYS Workbench模态分析

模态是结构的固有振动特性，包含固有频率和振型。模态由结构的质量和刚度矩阵决定，结构确定的情况下，固有频率和振型也就唯一确定。当外界激励频率与结构固有频率接近时，会发生振动幅值异常放大的共振现象。Fig. 1 大桥晃动之谜：共振现象引起的诡异现象模态分析可以获取结构的固有频率和振型，进而与外载荷环境进行错频设计。模态分析具有非常广泛的实用价值，是最基本的动力学分析，也是其它动力学分析的基础。模态分析是一种线性分析，任何非线性行为均被忽略。Fig. 2 异型真空罐前6阶固有频率和振型本文以一种异型真空罐为例，介绍ANSYS Workbench的模态分析功能，详细步骤如下所述。Step 1：建立分析项目启动ANSYS Workbench，添加Analysis Systems中的Modal。Fig. 3 ANSYS Workbench模态分析项目流程图Step 2：导入几何模型右击Geomrtry导入几何模型。双击Geomrtry，进入DesignModeler界面，设置单位为mm，单击Generate显示几何体。该几何模型为抽中面获取的壳体，具体方法参见：强烈推荐｜CAE前处理：基于UG的几何模型简化方法。 Fig. 4 异型真空罐抽中面模型Step 3：设置材料属性双击EngineeringData，右击空白界面选择Engineering Data Sources，点击欲添加材料后面的“+”号，也可以根据工程需要修改材料属性。双击Model，进入Mechanical界面，单击零件名字，在下方Assignment选择材料。Fig. 5 材料属性设置Step 4：进行网格划分单击Mesh，选择Sizing，在Element Size设置参数（或设置RelevanceCenter或Relevance），然后右击Mesh，选择Generate Mesh生成网格。具体方法参见：干货 | ANSYS Workbench壳单元网格划分方法。Fig. 6 异型真空罐网格划分Step 5：模态阶数设置ANSYS Workbench模态分析的默认模态数量为6，通过Modal—>Analysis Settings —>Options—>Max Modes to Find可以修改模态数量。Fig. 7 模态阶数设置Step 6：求解与后处理右击Modal，点击Solve，求解模型。单击Solution，添加变形(total)，右击Solution选择Equivalent All Results。单击Total Deformation，查看一阶模态云图，并在右下角添加其余各阶模态云图。Fig. 8 异型真空罐第一阶固有频率和振型特别注意：(1) 自由模态分析是对处于自由边界的结构进行模态分析，即不施加任何约束和载荷，分析后前6阶固有频率为0，或很小的小数，称为刚体模态。其它各阶模态为弹性模态，一般查看7~12阶固有频率。(2) 装配体自由模态分析时，经常会得到前6阶固有频率不为0的情况，这是由于零件间默认是绑定接触+罚函数方法，会引入接触刚度导致计算误差。为了消除该误差，将接触算法Formulation调整为MPC。来源：纵横CAE