(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210511550.4 (22)申请日 2022.05.12 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114638046 A (43)申请公布日 2022.06.17 (73)专利权人 中国铁路 设计集团有限公司 地址 300308 天津市滨 海新区自贸试验区 (空港经济区)东七道109号 专利权人 中铁大桥勘测设计院集团有限公 司　 西南交通大 学　天津大学　 同济大学 (72)发明人 王雨权　苏伟　廖立坚　霍学晋　 勾红叶　李林安　管仲国　刘龙　 傅安民　杨智慧　李晓波　(74)专利代理 机构 天津浆果知识产权代理事务 所(普通合伙) 12240 专利代理师 王龑 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) 审查员 刘素兵 (54)发明名称 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方 法 (57)摘要 本发明公开了一种铁路桥墩数字孪生变截 面仿真计算方法， 包括以下步骤： 输入桥墩的总 体截面尺寸信息； 划分单元并计算对应轮廓信 息； 数字化每一个单元上下端两个截面的信息； 计算每一个截面的几何特性； 计算每一个桥墩单 元的单元刚度矩阵； 计算每一个桥墩单元的等效 节点荷载； 组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列 阵。 本发明通过自定义任意截面输入格式及基于 泊松方程的有限元求解方法， 构建了任意截面几 何特性计算方法； 通过基于力的平衡及余能定 理、 卡氏第二定理， 推导了变截面空间梁单元刚 度矩阵， 利用结构力学法得到等效节点荷载， 进 而建立了变截面空间梁单元技术。 本发明对数字 孪生仿真模 型的刚度及载荷 进行准确模拟， 解决 其准确性难题。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 114638046 B 2022.08.09 CN 114638046 B 1.一种铁路桥墩数字 孪生变截面仿真计算方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： (A)输入桥墩的总体截面尺寸信息； (B)划分单 元并计算对应 轮廓信息； (C)数字化每一个单 元上下端两个截面的信息； (D)计算每一个截面的几何特性； (E)计算每一个桥墩单 元的单元刚度矩阵； (F)计算每一个桥墩单 元的等效节点荷载； (G)组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵； 几何特性 值包括截面 面积、 截面惯性矩、 扭转惯性矩； 步骤E中需要求解出每一个桥墩单元的刚度矩阵， 此时所需要的变截面刚度计算公式 需要利用基于力的平衡方程、 余能原理及卡氏第二定理推导得到， 计算过程如下： 由静力平衡条件， 余能定理及卡氏定理求得 单元一端j的节点力与节点 位移的关系为： 其中Rj为柔度矩阵， 其积分格式的表达式为： 其中， uj、 vj、 wj分别为节点j的纵向、 横向、 竖向水平节点位移， θjx、 θjy、 θjz分别为节点j 绕三个水平方向的转角位移； N、 Qy、 Qz分别代表轴向力、 两个方向的剪力， TT、 My、 Mz分别代表 扭矩、 绕y、 z轴两个方向的弯矩， 下标j代表节点j； E、 G分别为弹性模量、 剪切模量， A(x)、 Iy (x)、 Iz(x)为沿着梁长方向的截面面积、 饶y、 z两轴的转动惯量， J(x)为抗扭惯性矩， L为单 元长度， fsy、 fsz为考虑剪切效应的系数， 对式(9)的柔度矩阵Rj求逆可得到对应的刚度矩阵Kjj， 建立空间变截面梁单 元的刚度矩阵， 有关系式： 其中， F表示变截面梁单 元的节点力， δ表示节点 位移， 对应左端约束的模型， 式(10)可简化 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114638046 B 2由静力平衡条件得 可记为 Fi＝HFj  (13) 由式(10)和式(1 1)可得： 以上， TT为变截面梁单元 的扭矩， TTi为变截面梁单元i端的扭矩， TTj为变截面梁单元j 端的扭矩,H代 表公式(12)中等 号后边的第一个矩阵。 2.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法， 其特征在于： 步 骤(A)中输入的桥墩总体截面尺寸信息根据铁路桥墩实体而来， 总体截面尺寸信息包括桥 墩的高度、 墩底的轮廓尺寸、 墩顶的轮廓尺寸、 墩底到墩顶的几何过渡形式。 3.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法， 其特征在于： 步 骤(B)划分单 元并计算对应 轮廓信息， 具体过程如下： 首先， 对桥墩沿高度划分段落， 得到桥墩单 元； 然后， 计算出每一个桥墩单 元的高度、 上 下端横截面轮廓信息及高度范围内变化 规律。 4.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法， 其特征在于： 步 骤(C)数字化每一个单 元上下端两个截面的信息， 通过 预定义的任意截面输入规则实现。 5.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法， 其特征在于： 步 骤(D)计算每一个截面的几何特性， 具体过程如下： 首先， 对每个截面进行网格划分； 然后， 利用泊松方程的有限元计算方法， 计算出每一个截面的几何特性 值。 6.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法， 其特征在于： 步 骤(E)计算每一个桥墩单 元的单元刚度矩阵， 具体过程如下： 利用基于力的平衡方程、 余 能原理及卡氏第 二定理推导得到的变截面刚度矩阵并求解 桥墩单元的刚度矩阵。 7.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法， 其特征在于： 步 骤(F)计算每一个桥墩单 元的等效节点荷载， 具体过程如下： 利用结构力学中转角位移方程和矩阵位移法中相关工况对应的固端弯矩、 固端剪力具 体表达式进行等效节点荷载计算。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114638046 B 3