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薄膜结构风振响应中的流固耦合效应研究

孙晓颖  
【摘要】: 薄膜结构是近年来应用十分广泛的一种新型大跨度柔性屋盖结构,其基本力学特点是“轻”和“柔”,因而对脉动风荷载的作用十分敏感,风荷载是结构设计中的主要控制荷载。膜结构在风荷载的作用下通常会产生较大的变形和振动,这种大幅的变形和振动反过来也会影响到其表面风压分布,产生所谓的“流固耦合”效应。因此,要对膜结构的风荷载以及风振响应做出准确估算,除了借助常规分析手段外,还需要特别关注流固耦合的影响。但是由于膜结构的外形和自身力学性能的复杂性,特别是几何非线性的影响,使得对膜结构流固耦合问题的研究异常复杂。目前国内外在这一领域的研究均处于起步阶段。 本文首先基于弱耦合分区求解策略,在Compaq Visual Fortran6.5环境下搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的数值模拟平台(本文称之为“直接数值模拟方法”)。程序采用模块化编程思想,主要包含几何建模、流体分析、结构分析和数据交换四个模块。其中几何建模模块采用自行编制的膜结构找形分析程序;流体分析模块采用经过二次开发的计算流体力学软件FLUENT6.0;结构分析模块采用自行编制的膜结构动力分析程序MDLFX;在数据交换模块中,编制了基于薄板样条法的插值计算程序,以实现流固交界面上不同区域网格间的数据传递问题,编制了基于代数法和迭代法的动网格变形程序,以实现流固耦合运算中的动网格更新。基于该软件平台,对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行了流固耦合数值模拟,验证了方法的有效性。 鉴于直接数值模拟方法的计算量巨大,缺乏工程可操作性,本文又提出了一种更为实用的简化数值模拟方法。该方法的基本思想是,先将结构响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分,再针对这三种响应分量的不同性质,采用不同的求解方法,以达到尽量减少CFD运算时间的目的。在平均响应部分,主要考虑由于结构变形所导致的体型系数变化,是一个静态过程,可以直接利用CFD稳态模型求解;在背景响应部分,主要考虑脉动风的空间相关性对结构整体振动的影响,是一个拟静态过程,可以利用CFD技术和POD方法求得与结构最不利变形模态对应的风荷载分布模式;在共振响应部分,主要考虑脉动风中的较高频成分与结构之间的动力耦合作用,由于此时的结构振幅较小,可以忽略几何非线性的影响,采用常规的随机振动时程分析方法求解,并适当考虑附加质量和气动阻尼的作用。应用上述简化数值模拟方法对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行了分析,并将计算结果与直接数值模拟方法对比,验证了简化数值模拟方法的精确性和高效性。为定量衡量结构的流固耦合效应,本文定义了流固耦合影响因子。在此基础上,对单向柔性屋盖和三维薄膜结构的流固耦合性能进行了系统研究,探讨了风速、风向角、矢跨比(或高跨比)和初始预张力等参数对结构流固耦合效应的影响,并给出了流固耦合影响因子的取值范围。 此外,本文还基于能量守恒原理推导了附加质量和气动阻尼的解析公式,并运用气动弹性力学原理对附加质量和气动阻尼中的气动力项进行了推导。在此基础上,探讨了风向角、风速、矢跨比(或高跨比)和初始预张力等参数变化对附加质量和气动阻尼的影响,给出可供设计参考的附加质量和气动阻尼的取值范围。


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