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基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究一、本文概述随着现代轨道交通的飞速发展，机车车体结构的疲劳问题日益凸显，对机车运行的安全性和稳定性构成了严重威胁。
因此，对机车车体结构进行疲劳仿真研究具有重要的现实意义和工程应用价值。
本文旨在通过结合多体动力学和有限元法，对机车车体结构的疲劳特性进行深入探讨，以期在理论层面为机车车体结构的优化设计和疲劳寿命预测提供科学依据。
多体动力学作为研究多个刚体或柔性体之间相互作用的一门学科，能够全面考虑机车车体在运动过程中的复杂动力学行为。
有限元法作为一种数值分析方法，能够精确地模拟机车车体结构的应力分布和变形情况。
通过将两者相结合，可以在更准确的模拟机车车体结构在实际运行过程中的受力状态，进而分析车体结构的疲劳特性。
本文首先将对多体动力学和有限元法的基本原理进行简要介绍，然后详细阐述如何将这两种方法相结合，构建机车车体结构的疲劳仿真模型。
在此基础上，通过对仿真结果的分析，探讨机车车体结构的疲劳分布规律、疲劳寿命预测方法以及疲劳优化设计的可能性。
本文还将对研究中存在的局限性进行反思，并提出未来研究的方向和展望。
通过本文的研究，希望能够为机车车体结构的疲劳仿真提供一种新的思路和方法，为提升机车车体结构的安全性和稳定性提供理论支持和实践指导。
二、多体动力学理论及应用多体动力学，作为研究多个相互连接的刚体或弹性体在复杂系统中的运动规律的科学，近年来在机车车体结构研究中得到了广泛应用。
该理论的核心在于通过建立精确的数学模型，模拟机车在实际运行过程中的各种动力学行为，包括振动、冲击、加速度分布等，从而为车体结构设计提供理论支撑和优化方向。
在机车车体结构疲劳仿真研究中，多体动力学的主要应用表现在以下几个方面：建立多体动力学模型：基于机车的实际结构和运行条件，通过引入适当的约束条件和连接关系，建立包含车体、转向架、轮对等关键部件的多体动力学模型。
这一模型能够反映机车在实际运行中的动态行为，为后续的疲劳仿真分析提供基础。
有限元分析报告
有限元分析是一种工程结构分析的方法，它可以通过数学模型和计算机仿真来
研究结构在受力情况下的应力、应变、位移等物理特性。
本报告将对某桥梁结构进行有限元分析，并对分析结果进行详细的阐述和讨论。
首先，我们对桥梁结构进行了几何建模，包括梁柱节点的建立以及材料属性的
定义。
在建模过程中，我们考虑了桥梁结构的实际工程情况，包括材料的弹性模量、泊松比、密度等参数的输入。
通过有限元软件对桥梁结构进行离散化处理，最终得到了数学模型。
接着，我们对桥梁结构施加了实际工况下的荷载，包括静载、动载等。
通过有
限元分析软件的计算，我们得到了桥梁结构在受力情况下的应力、应变分布，以及节点位移等重要参数。
通过对这些参数的分析，我们可以评估桥梁结构在实际工程情况下的安全性和稳定性。
在分析结果中，我们发现桥梁结构的主要受力部位集中在梁柱节点处，这些地
方的应力、应变值较大。
同时，桥梁结构在受力情况下产生了较大的位移，需要进一步考虑结构的刚度和稳定性。
基于这些分析结果，我们提出了一些改进和加固的建议，以提高桥梁结构的安全性和可靠性。
综合分析来看，有限元分析是一种非常有效的工程结构分析方法，它可以帮助
工程师们更加深入地了解结构在受力情况下的物理特性，为工程设计和施工提供重要的参考依据。
通过本次桥梁结构的有限元分析，我们不仅可以评估结构的安全性，还可以为结构的改进和优化提供重要的参考意见。
总之，有限元分析报告的编制不仅需要对结构进行准确的建模和分析，还需要
对分析结果进行科学的解读和合理的讨论。
只有这样，我们才能为工程结构的设计和施工提供更加可靠的技术支持。
基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究一、概述本文主要研究机车车体结构在疲劳寿命方面的仿真，采用多体动力学和有限元法相结合的方法。
由于机车车体结构相对复杂且现场结构耐久性试验费用昂贵，目前国内外对机车车辆车体结构在动载作用下的结构疲劳强度和动应力分析方法涉及相对较少。
实际服役的机车车体结构承受的主要是随机的动载荷，因此直接将静强度分析结果应用于车体结构的疲劳强度评估会产生严重问题。
随着列车运营速度的不断提高，生产安全、可靠、轻量化的车体结构已成为现代机车车辆工业的主要发展趋势，因此机车车体结构疲劳寿命仿真研究成为一项迫切的任务。
本文基于相关领域结构疲劳研究成果，吸取文献中的最新算法，提出了一种利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法对车体结构的疲劳寿命进行仿真，并进行了较为系统的研究。
研究范围主要集中在机车的多体动力学仿真、车体结构有限元分析和结构疲劳寿命预测上。
具体研究过程主要包括：使用时频复现技术获得多体动力学仿真的轨道随机时域激励利用SIMPACK对机车整车系统进行刚柔体混合建模与仿真（分别考虑车体为刚性和柔性）利用ANSYS计算车体结构的应力（包括模态分析、子结构分析等）结合材料SN曲线和疲劳损伤累积理论进行疲劳寿命预测。
通过这些研究，旨在深入了解机车车体结构的抗疲劳特性，为生产更安全、可靠的车体结构提供理论支持。
1. 研究背景和意义随着高速铁路和重载铁路的迅速发展，机车车体的安全性和可靠性要求日益提高。
疲劳破坏作为机车车体结构的主要失效形式之一，其预防和控制对于确保列车的安全运行至关重要。
传统的机车车体疲劳分析方法主要依赖于试验和经验，不仅周期长、成本高，而且难以覆盖所有可能的工况和边界条件。
开展基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究具有重要的现实意义和工程价值。
多体动力学作为研究多体系统运动规律的有效工具，能够准确模拟机车在复杂工况下的动力学行为，为车体结构提供准确的动态载荷输入。
基于数值模拟技术的桥梁动力响应分析与抗震性能评估研究引言：桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，承载着巨大的交通流量和重要的经济作用。
然而，地震是威胁桥梁安全性的重要因素之一。
因此，通过数值模拟技术来分析桥梁的动力响应，并评估其抗震性能，具有重要的研究和工程应用价值。
一、数值模拟技术在桥梁动力响应分析中的应用1. 结构建模数值模拟的第一步是将桥梁结构建模为一个离散的数学模型。
由于桥梁结构通常是三维非线性的，合理选择单位单元和材料模型十分重要。
通常采用有限元法对桥梁进行离散，分析其静力响应和动力响应。
2. 动力荷载分析桥梁在地震作用下所受的动力荷载是进行抗震性能评估的关键。
通过分析桥梁的行车荷载和地震荷载作用下的运动方程，可以得到桥梁结构的动力响应。
3. 动力响应计算根据结构的运动方程，使用数值方法（如直接积分法）进行求解，可以获得桥梁结构在地震荷载下的动力响应。
通过对系统动力特性的计算和对动力响应的分析，可以评估结构的抗震性能。
二、基于数值模拟技术的桥梁抗震性能评估方法1. 缺陷模拟方法通过引入潜在的结构缺陷，如材料损伤、裂缝等，可以评估结构在地震荷载下的破坏程度。
通过数值模拟，可以分析出结构在不同破坏情况下的动力响应，并对其抗震性能进行评估。
2. 敏感性分析方法桥梁结构参数的不确定性会对其抗震性能产生影响。
通过敏感性分析，可以确定哪些参数对结构的动力响应和破坏程度产生较大的影响。
进而可以通过调整关键参数来提高桥梁的抗震性能。
3. 随机振动分析方法地震荷载具有随机性质，其频谱特性与地震活动相关。
通过数值模拟结合随机振动分析技术，可以模拟地震荷载的频谱特性，评估结构在不同地震强度下的动力响应和抗震性能。
结论：基于数值模拟技术的桥梁动力响应分析与抗震性能评估研究能够全面评估桥梁在地震作用下的结构性能和安全性。
针对桥梁结构的实际情况，选择适当的数值模型和方法，可以有效地预测桥梁在地震下的动力响应，并为桥梁设计和抗震评估提供科学、准确的依据。
桥梁动载检测试验研究作者：刘宏伟柴旺钟锁蓝来源：《城市建设理论研究》2012年第30期摘要：桥梁在经过多年的运营后，其当初的设计等级已不能满足当前的使用要求，为了较好的评估该桥的使用性能，基于有限元程序对桥梁进行分析及动力特性实测，从而对桥梁做出客观的评价及处理意见。
关键词：桥梁；结构动力分析；Midas/civilAbstract: bridges after years of operating, its original design level can not meet the requirements of the current measured analysis and dynamic characteristics of the bridge in order to better evaluate the performance of the bridge, based on the finite element program, which bridges make an objective evaluation and treatment advice.Keywords: bridges; structural dynamic analysis; Midas / civil中图分类号：V448.15+1 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）1 引言某高速公路汽车天桥，设计为预应力混凝土变截面连续箱梁，跨径25+36+25m，桥梁全长86m，桥宽8m，梁高1.25~1.80m，采用单箱单室截面，桥面横坡为双向1.5%。
设计荷载为公路Ⅱ级。
对该桥进行动载现场检测及理论分析，对该桥的使用性能做出评价。
2 理论分析动载试验理论分析主要是计算桥梁结构固有频率和振型，本文采用有限元软件Midas进行模拟分析，采用梁单元建立全桥上部结构模型，计算结构的竖向自振频率。
经模态分析后获得结构竖向前3阶自振振型及频率。
基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术研究近年来，随着科技的不断发展，计算机辅助技术在各个领域得到广泛应用，其中基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术也愈发受到重视。
本文将从有限元方法的概念、模拟仿真技术的基本步骤和在工程结构领域的应用等方面进行论述。
一、有限元方法的概念有限元方法是一种基于离散化的数值计算方法。
它将复杂结构分割成多个微小的单元，将微分或积分求解问题转换为求解一系列代数方程组的问题，从而得到数值解。
有限元方法的核心思想是“微元假设”，即在大范围内假定某个物理量（如位移、应变等）在微元内具有一定的分布规律，并得到一系列微分方程。
然后将所有微元的各个方程组合在一起，就可以得到整个物体的数学模型。
二、模拟仿真技术的基本步骤在进行基于有限元方法的工程结构模拟仿真之前，需要先了解模拟仿真技术的基本步骤。
一般来说，工程结构模拟仿真技术的基本步骤包括以下几点：1、确定仿真对象：首先需要确定待仿真对象，如建筑物、桥梁、汽车、飞机等。
2、进行建模：将待仿真对象建立成一个几何结构模型。
3、确定模拟参数：需要根据实际情况确定仿真参数，包括材料特性、载荷、边界条件等。
4、选择计算方法：根据需要选择相应的计算方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等。
5、进行仿真计算：输入所选取的计算方法，进行仿真计算。
6、结果分析：对仿真结果进行分析、验证和优化，以达到理想的设计目标。
三、基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术在工程结构领域的应用基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术广泛应用于工程领域中的许多领域，比如航空航天、汽车制造、建筑工程和水利电力等。
1、航空航天领域：在航空航天领域中，基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术可以有效地预测航空器的结构应力、变形和模态特性等，提高飞行器的安全可靠性。
2、汽车制造领域：在汽车制造领域中，基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术可以模拟汽车的碰撞、车身结构，从而确保汽车的安全性和稳定性。
基于桥梁结构动力特性评估的有限元仿真研究桥梁结构动力特性评估是保证桥梁结构安全性和稳定性的重要手段，而有限元仿真技术能够有效地进行桥梁结构的动力特性评估。
有限元仿真是指利用有限元原理和方法对工程结构进行建模、边界条件设定和求解，从而获得结构的应力、变形和动力响应等信息的数值计算方法。
对于桥梁结构而言，有限元仿真可以通过建立桥梁结构的有限元模型，对其在不同荷载作用下的动力响应进行模拟和分析。
桥梁结构有限元仿真通常包括以下几个步骤：1.建立有限元模型：根据桥梁结构的实际情况，利用有限元软件建立相应的有限元模型，包括桥墩、桥梁、梁板等部分。
模型中要考虑到各部分的几何形状、材料特性和边界条件等。
2.确定荷载：根据桥梁所处的位置和用途确定荷载，包括静态荷载和动力荷载。
静态荷载主要包括桥身自重、行车荷载等，动力荷载主要包括风荷载、地震荷载等。
3.求解有限元模型：根据桥梁结构的有限元模型和荷载条件，使用有限元软件进行有限元分析，求解桥梁结构的应力、变形和动力响应等。
4.评估动力特性：通过有限元仿真结果，评估桥梁结构的动力特性，包括自振频率、模态形态、动力响应等。
这些数据可以用来判断桥梁结构的稳定性和安全性。
1.准确性：有限元仿真能够较为准确地模拟桥梁结构的动力响应，可以提供精确的应力、变形等数据。
2.灵活性：有限元仿真可以根据实际情况对桥梁结构进行改进和优化，根据不同的荷载条件进行多种模拟，从而得到更为全面的评估结果。
3.有效性：有限元仿真可以大大节省时间和成本，相比传统试验方法，其成本更低且实验过程更为方便。
有限元仿真也存在一些限制和不足之处，例如模型的精度受到许多因素的影响，如材料非线性、接触、接缝等问题，同时还需要对荷载条件进行合理的设定和分析。
基于桥梁结构动力特性评估的有限元仿真是一种有效的评估桥梁结构安全性和稳定性的方法。
它可以提供准确的应力、变形和动力响应等信息，对于指导桥梁结构的设计、改进和维护具有重要的意义。
基于桥梁结构动力特性评估的有限元仿真研究摘要：以坐落在俄罗斯符拉迪沃斯托克市人行天桥为例，利用笔算和有限元建模的方法对人行天桥进行动力特性计算，对比结果发现以笔算的形式已经无法满足对结构较复杂的中型桥梁的设计要求，所以在设计较为复杂的中型桥梁时采用有限元仿真的方法是重要的和非常有效手段之一，其建模与分析方法对设计人员具有一定的参考价值。
关键词：有限元模型；动力参数；自振周期；共振abstract: based on footbridge constructed in vladivostok of russia, the dynamic characteristics of footbridge are studied in this paper. the dynamic characteristics are studied by method of written calculation and finite –element model. compared the results written calculation in from has been unable to meet the design of requirement for the structures of more complex. so construction finite –element model is effective and important method. the result of this paper has certain theoretical meaning and application value in engineering practice.key words：finite-element model;dynamic characteristics;period of vibrate;period ofvibrate;resonance中图分类号： tl501+.3 文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2013）0引言在现代的桥梁设计领域中，有限元仿真的方法已经被广泛运用。
设计人员在设计大型复杂的桥梁结构时都会采用方便的有限元软件进行对桥梁结构的模拟仿真工作，得到准确合理的计算结果。
然而大多数设计人员经常会忽略中小跨度的桥梁结构的复杂性，这也导致了在桥梁设计中产生了大的计算“误差”或“错误”，致使结构形式不合理，强度不够和耐久度不足的情况屡见不鲜。
严重的设计缺陷很有可能不符合设计规范，甚至危及到人员安全，桥梁结构的安全性和可靠性难以得到保证，同时人民生命财产也随之受到损害。
如俄罗斯符拉迪沃斯托克市的42.6m人行天桥的设计因为没有考虑到人行天桥的承重结构的细节对整个桥梁的动力特性的影响，而导致在行人通过的过程中有强烈振感，最后关闭天桥。
通过此工程实例复查的计算方法和结果，找出设计缺陷，并证明了有限元仿真对桥梁工程的必要性。
1 结构简介机场高速公路天桥采用全长42.6m的轻质正交异性板钢梁，计算长度为42.0m。
采用俄罗斯国家标准gost6713-91的10hsnd钢材型号。
结构设有两主梁，梁高1232mm，腹板厚14mm，下翼缘板截面为420x20mm。
正交异性板宽3536mm，板厚12mm，板下设置9个纵向钢肋，钢肋高180mm，厚12mm。
两主梁间设置12mm厚的横隔板，延主梁纵向布局形式为1750+11x3500+1750mm。
桥梁采用橡胶支座，型号为30x40x7.8–1.0，桥面净宽3000mm，桥面铺设50mm 沥青混凝土和2.5mm“poly p200”防水层，桥梁顶部设置钢骨架及“danpalon”硬塑风挡[1]。
如图1所示：图1 薄壁轻质桥梁结构2计算实例对桥梁动力特性的评估主要利用动力参数视为对动力特性的评价指标，根据规范中的特定范围，与计算值和规范理论值相对比，得出相应的结论。
自振频率与振动周期就是用来评价人行天桥的重要参数，为了避免“共振现象”出现，保证桥梁结构的可靠性，安全性，同时令行人感到舒适的重要手段就是保证动力参数符合设计规范。
然而桥梁结构动力特性评估的传统方法一般是把桥梁模型视为“杆”系统模型，这种模型是设计人员最常用非常简便的力学模型。
虽然模型结构简单，计算方便，但计算结果时常与实际情况不符，其扮演的“角色”也只能是辅助估算近似的结果。
主要原因是杆系模型无法真实模拟出结构所有的细节及真实条件，最终导致结果误差较大。
以下为计算实例，钢桥横截面尺寸如图2：图2 钢桥横截面尺寸根据结构截面尺寸可以得知惯性矩,计算跨度l=42m, 弹性模量,质量m=1599kg/m, 常用的杆系统模型如图3所示：图3 “集中质量法”杆系统模型由公式（3）可以得到竖向振动圆频率：(3)以此推到出竖向振动周期和自振频率为：，f = 1/t = 1.685 1/s根据俄罗斯桥梁设计规范snip 2.05.03-84*[2]的人行天桥竖向自振周期的范围不应进入0.45s – 0.60s以内；水平方向的振动周期不应进入0.90s – 1.20s以内，而对频率没有做特定要求，所以实测竖向振动的结果符合设计规范。
3基于lira 9.2的有限元仿真实现3.1钢桥基本结构的有限元模型的初步方案采用俄罗斯与乌克兰共同研发的有限元软件“lira – 9.2”建立有限元模型，并计算全桥体系的动力特性[3]。
钢梁部分主要采用空间板壳单元模拟，板壳基本以矩形为主，为了更准确得到计算结果，长宽约等于0.3m，近似于正方形。
钢桥结构弹性模量取es=2.1x107 ton/m2, 泊松比为v=0.3。
根据数据初步建立有限元模型方案1，如图所示：图4有限元模型方案1（考虑钢桥基本结构）有限元模型方案1考虑钢桥的基本结构建立而成，其原始数据与笔算数据完全相同，支座形式采用的也是传统的钢支座形式，一端为固定支座另一端为活动支座。
同时沥青混凝土和围栏考虑成荷载的形式。
有限元模型由44660节点和8926个单元组成，计算结果和精度基本可以得到满足。
计算结果：竖向振动周期为t1=0.623 s，自振频率为f1=1.605 1/s，与笔算结果基本吻合。
但是此模型并没有完全考虑到所有结构细节，其中主要包括混凝土，硬塑风挡和钢骨架等结构，所以需要进一步的优化模拟。
3.2根据结构细节对钢桥的优化方案有限元模型方案2，在原模型方案1中根据实际情况在模型上加铺50 mm厚沥青混凝土，弹性模量为e=1.6x103mpa，柏松比μ=0.3 ，体积自重p=22.563kn/m3 。
沥青混凝土利用空间实体单元模拟，并考虑成承重结构，围栏考虑成荷载形式。
模型2如图5所示：图5 有限元模型方案2模型3，基于模型2，考虑到实际的支撑条件建立而成。
将支座形式更改为橡胶支座形式。
橡胶支座型号为30x40x7.8[4][5]，竖向弹性刚度为cs=6.725x104 ton/m，横向及纵向弹性刚度为ch=360ton/m；利用杆系模拟橡胶支座，模型如图6所示：图6 有限元模型方案3模型4，基于模型3，考虑到风挡钢骨架的抗弯强度为,, 抗压强度为ea=21500 ton/m；，模型如图7所示：图7 有限元模型方案4模型5，基于模型4，补充了硬塑风挡结构“danpalon”弹性模量选取ed=5000 ton/m2, 泊松比，厚度为h=3 mm；可以称为完整的最优化结构，模型5如图8所示：图8 有限元模型方案5 （最优化方案）3.3 有限元仿真的结果与分析有限元仿真模型的5个方案，分不同情况对模型进行了一定的优化处理。
根据计算结果分析，初始模型与公式（3）推导出的结果基本一致，而最优化模型与初始模型的竖向自振周期值相差0.057s，竖向自振频率值相差0.162 1/s。
同时分别对影响因素进行了分析，并判断了影响率，结果如表1所示：表1 有限元仿真的计算结果根据表1的计算结果可以了解到，此桥梁结构竖向自振周期和频率的影响因素的效果是比较明显的，结果表明，沥青混凝土铺装层的影响率达到了5%以上，其原因是沥青混凝土铺装层考虑成承重结构后与钢梁一起工作，加大了梁体的刚度，同时减少了振动周期，也增大了振动频率。
橡胶支座的桥梁振动也有明显的作用，虽然对竖向振动影响率较小，但它的自由度明显改变了桥梁振动的形态。
风挡钢骨架与硬塑材料的风挡板对桥梁的振动也有一定的影响，由于人行天桥的跨度较大，材质较轻，所以风挡与钢骨架结构也起到了承重的作用，刚度增大提高了自振频率，使自振周期有所改变。
根据俄罗斯桥梁设计规范snip 2.05.03-84*[2]的人行天桥竖向自振周期的范围应避开可能出现0.45s – 0.60s的“共振区间”，在这次最优化有限元模型5的仿真结果t=0.566 s 无法得到满足，所以人行天桥在有行人通过的过程中有强烈的振动感觉，这是明显的设计缺陷。
4 结语1.理论计算笔算形式的竖向自振周期值与有限元模型的初步形式的结果基本吻合，但与最优化模型相比误差较大，这说明笔算的形式只能在结构较为简单的情况下完成基本的设计任务，在这种情况下有限元模型仿真与理论计算可以作为互相检验准确率的基本方法。
但当结构形式较为复杂时，建立有限元模型在桥梁工程设计中是非常必要的。
2.经过有限元模型的逐一优化，发现每个可能承重的结构细节对整个桥梁的动力特性具有一定的影响，从有限元仿真的数值分析试验的实例可以看出，在桥梁设计中，建立有限元模型需要仔细考虑结构的细节，这样才能保证桥梁结构的强度，并提高耐久度，完善设计。
3.通过有限元分析的结果可以了解到，对于人行天桥来说，沥青混凝土铺装层可能会产生较大的影响，而橡胶支座对动力特性的影响相对较小，包括风挡与钢骨架结构这些影响因素使计算结果无法达到设计要求。
所以桥梁设计人员在设计人行天桥时应吸取经验，不应只盲目考虑结构材料的强度，应对天桥“质量“和”刚度“加以考虑，避免产生“共振“现象及“剧烈振动”现象出现。
其建模方法及计算结果对桥梁设计人员具有一定的参考价值。
参考文献：[1] belutsky i.y., zhao jian., tomilov s.n., grishin a.i., hunters a.d., assessment of dynamic parameters of the span pedestrian bridge to the pc 32 to 156 properties per: reconstruction of airport road “knevichi” - sanatorium in the area of highway m-60 “ussuri”khabarovsk - vladivostok between km 747-750. report on r & d № 06/12.[2] snip 2.05.03 – 84* bridge and tubes ministry of regional development russian federation/moscow. 2011 – 399 p.[3] i.u. belutsky, zhao jian. the account of real support conditions of spans in the construction of their finite –element model [j]// herald esstu 2012. 192 - 197 p.[4].defshovroch products ltd. “defshovroch.” - m, ltddefshovroch, -30 p.[5].vsn 86-83 instructions for the design and installation of polymer bearings of bridges / min of transport construction of the ussr: transport, 1983, -30 p.作者简介：作者简介：王冠，男，1985年出生，硕士研究生，主要从事公路与桥梁方向研究。
