流固交互作用理論、方法研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)如超高層建筑、大跨度橋梁、索膜結(jié)構(gòu)等被廣泛應(yīng)用。這些結(jié)構(gòu)本身往往具有柔性大、阻尼小、重量輕等特點(diǎn)，因而在風(fēng)的作用很易發(fā)生破壞。傳統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)采用風(fēng)振系數(shù)的概念，把風(fēng)作為一種靜荷載來(lái)進(jìn)行處理，這與風(fēng)和結(jié)構(gòu)是耦合作用的事實(shí)有很大的區(qū)別。風(fēng)從本質(zhì)上是一種流體，因此可以從流固耦合作用的角度研究結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的響應(yīng)。流固耦合作用分析是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉科學(xué)，目前是國(guó)內(nèi)外科學(xué)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文對(duì)流固耦

2、合分析中的交互作用理論和方法進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括： ⑴構(gòu)建了流固交互作用分析理論體系。交互求解分可分為四個(gè)部分：流體域求解、固體域求解、流體域有限元網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)以及流固接觸界面上的數(shù)據(jù)傳輸。 ⑵流體域采用任意拉格朗日歐拉描述（ALE）的基于特征線分解（CBS）時(shí)間積分算法和有限元空間離散方法進(jìn)行求解，文中導(dǎo)出了ALE描述下的粘性不可縮流體層流和湍流動(dòng)力方程的有限元格式。根據(jù)流固接觸界面上的位移協(xié)調(diào)條件，采用虛擬彈性法對(duì)流

3、體域網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，得到了用于流體求解所需要的網(wǎng)格速度和更新后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。 ⑶將流固接觸界面上數(shù)據(jù)傳遞的方法歸結(jié)為兩大類：局部插值法、整體插值法。局部插值法中研究了映射點(diǎn)插值法，Stein法，常體積轉(zhuǎn)換法等方法，并給出了主單元及映射點(diǎn)搜尋算法；整體插值法研究了樣條函數(shù)法、Shepard方法、徑向基函數(shù)法。 ⑷將徑向基函數(shù)插值法引入流固耦合分析。通過(guò)矩陣運(yùn)算，導(dǎo)出了流固接觸界面上流體信息向固體傳遞的的傳遞矩陣Hfs及流固

4、接觸界面上固體信息向流體傳遞的的傳遞矩陣Hsf。采用傳遞矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞具有很大靈活性，它允許流體域和固體域采用任意有限元網(wǎng)格。 ⑸采用ANSYS建立了二維平面、三維半圓柱殼體兩種具有不同網(wǎng)格密度的界面，采用解析的方法構(gòu)造出界面上矢量場(chǎng)。通過(guò)RBF插值計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)矢量的數(shù)值解，并將數(shù)值解和解析解的進(jìn)行了對(duì)比分析，從而對(duì)RBF插值算法的的精確性及其對(duì)不同網(wǎng)格密度的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。文中最后采用商用軟件，對(duì)一工程算例進(jìn)行了流固交互