Page 26 - 《振动工程学报》2026年第2期

342 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

λ 和 0.75L 处布置传感器，来测量波浪作用下浮桥的动
40 ⩽ ⩽ 100 （19）
m 力响应 。图 为浮桥的试验模型，表 为数值模型
[4]
h 2 1
20 ⩽ （20）
n 中主梁和浮箱的关键参数。
式中， L和 D分别为计算域的长度和宽度； λ为波长；
l和 d分 别 为 浮 箱 的 长 度 和 宽 度 ； m为 水 平 方 向 x和
y的网格尺寸； n为竖直方向 z的网格尺寸； h为波高。
图 1 为 ABAQUS 软件与 Star-CCM+软件的双向
流固耦合交互流程。流体和结构之间的时间依赖性
较强，为保证求解的准确性和稳定性，本文在分析计
算过程中选择隐式耦合方法 [29] 。Star-CCM+软件在 图 2 试验模型照片 [4]
模拟波浪的初始时刻，波浪力会发生较大幅度的波 Fig. 2 Test model picture [4]
动。因此，建模分析中，Star-CCM+软件先进行一定 表 1 主梁和浮箱关键参数
时 长 的 运 算， 待 波 浪 力 趋 于 稳 定 状 态 后 ， 再 执 行 Tab. 1 Key parameters of the beam and pontoon

ABAQUS 与 Star-CCM+的协同仿真。Star-CCM+软件 部件 属性 单位 数值
在预先模拟运行指定的迭代次数后，将生成的波浪 线密度ρ l t/m 5.59
力映射到共享区域中，再由 ABAQUS 软件求解结构 面积S m 2 1.94
梁 截面惯性矩I x m 4 0.102
响应，特定时长后将位移反馈回共享区域，以此相互
截面惯性矩I y m 4 0.389
传递压力和位移信息，实现波浪和浮桥的双向流固 4
截面惯性矩I z m 0.91
耦合分析，直到满足求解器停止条件后结束运行。 质量M 2 t 1.23×10 3
t·m 2 4.42×10 4
横摇转动惯量I tr
ABAQUS软件 Star-CCM+软件 纵摇转动惯量I tp t·m 2 1.47×10 5
艏摇转动惯量I ty t·m 2 2.40×10 5
ABAQUS,Star-CCM+ 进行第n+1次
协同仿真流程 吃水深度D m 2.58
ABAQUS模型 隐式非定长求解器 迭代
.inp文件 求解流场 浮箱 重心高度h G m 3.30
求解下一时刻
(t n+1 )流场压力 排水量V t 2.35×10 3
固体FSI界面 映射流场压力 计算当前 横摇刚度K tr kN·m/rad 3.21×10 5
流场荷载
纵摇刚度K tp kN·m/rad 1.25×10 6
动力隐式求解器 3
求解t n+1 时刻结构 流体FSI界面 纵荡刚度K ty kN/m 8.92×10
模型 映射t n+1 时刻位移 在 中 采 用 基 于 广 义 截 面 类 型 的 梁 单
网格变形 网格变形 ABAQUS
元 (B31) 建立浮桥模型的上部结构，对弹性模量、泊
映射t n+1 时刻 是
压力 收敛性 否 松比、线密度和截面惯性矩等参数进行赋值；浮箱
固体FSI界面 获取流场压力信息
检查
建模采用壳单元 (S4R)，质量及转动惯量等参数以质
点形式赋予在其重心处；浮箱与曲梁之间采用 MPC
是否达到 否 梁方式连接。浮桥两端约束条件参照文献 [4] 限制
停止条件
所有平动自由度和绕梁纵向的转动自由度，引入刚
是
度为 1.13×10 MN·m/rad 的扭转弹簧来约束剩余两个
4
停止
转动自由度。图 3(a) 和 (b) 分别为 ABAQUS 和 Star-

图 1 协同仿真流程图 CCM+中的模型示意图。在 ABAQUS中，主梁和浮箱
Fig. 1 Flowchart of the co-simulation process 的网格尺寸分别为 1 和 2.5 m。图 3 (c)为 Star-CCM+

中流体域的网格设置，流体域尺寸根据式 (17) 和 (18)
确定为 888 m×330 m×200 m；基本网格尺寸为 12.8 m，
2 模 型 试 验 验 证
在液面处上下 1 m 范围内进行加密；水平和竖向网
格尺寸根据式 (19) 和 (20) 确定为 1.6 和 0.128 m。
STATENS 进行了某离散浮箱式浮桥的缩尺模型
本文选取 Star-CCM+中的一阶波模型进行模拟，
试验 ，本文选用该试验结果验证 ABAQUS 与 Star-
[4]
模拟过程中设置的时间步应满足下式：
CCM+协同仿真建模方法的可靠性。原型浮桥两端
T
直线距离为 830 m，弧长半径为 1300 m，主梁中心线 ∆t = 2.4δ （21）
位于平均水位以上 8.8 m 处。浮桥模型按 1∶40 比 式中， T 为波周期； δ为一个波长所划分的网格数。
例制作，长度约为 22 m，共计 8 个浮箱，置于 50 m × 80 m 模拟时长取决于结构响应是否达到稳定状态，研究
的水池中。分别在桥纵向 0.25L、0.375L、0.5L、0.625L 表明，响应时程曲线在出现 5～8 个周期性的相近波