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薄膜结构的动力分析和风致气动力失稳研究

李庆祥  
【摘要】:随着科学技术的发展和施工工艺的进步,各种外形美观、结构新颖的大跨度柔性薄膜结构被广泛应用于体育馆、飞机库、展览馆等公共建筑。这类结构的一个显著特点是,索和膜都不具有弯曲刚度,在外荷载的作用下结构变形明显,而且刚度与变形相关,呈现出很强的几何非线性特征。此外,薄膜质量非常轻,这些特点决定了薄膜结构对风荷载的作用十分敏感,空气—结构的耦合作用对结构基本动力特性的影响相当显著。与此同时,国内外关于薄膜结构风致动力响应问题的研究还较少,对于这类结构风致气动力失稳方面的研究更是十分薄弱。因此,深入研究空气气动力影响下的薄膜结构动力分析及其风致气动力稳定性分析,具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 本文采用简化气动力力学模型来描述空气气动力,通过引入附加空气质量、气承刚度和空气辐射阻尼等概念来模拟附加气动力与结构的相互作用,再通过理论推导和数值算例对气动力各项因素的变化规律以及其对结构动力特性的影响规律进行系统研究,从而使空气与结构的相互作用进一步量化。 基于有限元方法,本文进一步采用通用的有限元分析软件的3D实体声音单元来模拟空气对结构的作用。空气被作为一种声音介质,其与振动薄膜的相互作用通过声压力作用在薄膜表面。对有限空气域设定适当的边界条件以模拟空气对结构的附加气动力作用。与以往试验研究结果进行对比,证明了该方法的有效性,同时应用此方法研究了薄膜结构在空气中的动力特性,以及空气气动力对薄膜结构动力特性的影响规律。 风致动力响应分析是薄膜结构抗风设计中的一个关键问题,其中风荷载的获得以及如何考虑结构周围流场与结构的相互作用是其中的难点问题。本文基于AR法针对一开敞鞍型薄膜结构进行了风荷载的模拟,并通过建立空气与结构的耦合有限元模型,进行了风振响应时程分析。此外,由于试验技术和条件的限制,目前很难通过气弹模型风洞试验获得结构的风荷载时程。因而为了寻求一种理论上的突破,本文采用一封闭平屋盖的刚性模型风洞测压试验数据,建立薄膜屋盖与


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