張拉膜結(jié)構(gòu)氣彈失穩(wěn)機(jī)理研究.pdf

1、膜結(jié)構(gòu)因其輕柔特性，在風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形和振動(dòng)，這種變形和振動(dòng)反過來又影響到結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)，形成所謂的“流固耦合效應(yīng)”。特定條件下，流固耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振幅隨風(fēng)速增加急劇增大，產(chǎn)生類似橋梁和機(jī)翼的氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象。由于氣彈失穩(wěn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全威脅很大，因而對(duì)其作用機(jī)理的研究一直是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的重要課題之一。但這方面的工作以往多集中于橋梁結(jié)構(gòu)，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的研究很少。其中的一個(gè)重要原因在于，膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性十分復(fù)雜，難以像橋梁那樣簡(jiǎn)化

2、為僅具有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的節(jié)段模型。近年來，國內(nèi)外大型膜結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的破壞事件時(shí)有發(fā)生，說明現(xiàn)階段的膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論還存在一定的不足，需要進(jìn)一步探索膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變的機(jī)理，探討氣彈失穩(wěn)發(fā)生的可能性及應(yīng)對(duì)措施。
　　基于上述背景，本文開展了系列膜結(jié)構(gòu)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究，通過對(duì)結(jié)構(gòu)多種響應(yīng)特征參數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律的探討，明確了結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)間的相互作用機(jī)制，揭示了膜結(jié)構(gòu)的氣彈失穩(wěn)機(jī)理，建立了考慮氣彈失穩(wěn)的膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法。本文

3、主要工作包括如下幾方面：
　　1．建立了基于全荷載域和多響應(yīng)特征的膜結(jié)構(gòu)氣彈失穩(wěn)研究方法。
　　鑒于膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)具有幾何非線性明顯和多階模態(tài)參振等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)氣彈失穩(wěn)研究方法不再適用，需建立適用于多自由度柔性體系的氣彈失穩(wěn)研究方法。為此，提出了基于全荷載域和多響應(yīng)特征的膜結(jié)構(gòu)氣彈失穩(wěn)綜合研究方法。該方法是以氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)為主，聯(lián)合運(yùn)用數(shù)值模擬和解析方法，從結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征和流場(chǎng)變化規(guī)律兩方面入手，通過考察不同風(fēng)速（全荷載

4、域）下結(jié)構(gòu)響應(yīng)與流場(chǎng)風(fēng)速之間的相關(guān)性，以及結(jié)構(gòu)振幅、主導(dǎo)振型和系統(tǒng)阻尼比等特征參數(shù)的變化規(guī)律，來揭示膜結(jié)構(gòu)的氣彈失穩(wěn)機(jī)理。在建立總體研究框架的基礎(chǔ)上，對(duì)若干關(guān)鍵技術(shù)問題，如模態(tài)識(shí)別方法、阻尼識(shí)別方法和基于動(dòng)邊界技術(shù)的CFD數(shù)值模擬方法等進(jìn)行了探討，并驗(yàn)證了其有效性。
　　2．設(shè)計(jì)并完成了系列典型膜結(jié)構(gòu)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)。
　　氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)一直是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的一個(gè)難題，尤其是膜結(jié)構(gòu)的氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，如何選擇合適的模型材料

5、以及如何避免測(cè)量裝置對(duì)風(fēng)場(chǎng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的干擾，都是需要解決的關(guān)鍵問題。基于對(duì)氣彈模型相似理論、非接觸測(cè)量技術(shù)和預(yù)張力施加方法等問題的探討，設(shè)計(jì)并完成了開敞式單向張拉膜結(jié)構(gòu)、封閉式單向張拉膜結(jié)構(gòu)和鞍形張拉膜結(jié)構(gòu)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了不同風(fēng)速下的結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)及其表面風(fēng)場(chǎng)變化數(shù)據(jù)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)振幅和主導(dǎo)振型在不同風(fēng)速下的變化規(guī)律分析，發(fā)現(xiàn)存在振幅急劇增大和主導(dǎo)振型跳躍等現(xiàn)象，初步判斷該現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)氣彈失穩(wěn)有關(guān)。
　　3．聯(lián)合運(yùn)用多種研究手段

6、，揭示了膜結(jié)構(gòu)的氣彈失穩(wěn)機(jī)理。
　　通過對(duì)全荷載域下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和流場(chǎng)風(fēng)速相關(guān)性分析，確定發(fā)生氣彈失穩(wěn)的風(fēng)速區(qū)間；結(jié)合頻譜分析進(jìn)一步考察了結(jié)構(gòu)位移主導(dǎo)頻率與風(fēng)速主導(dǎo)頻率，發(fā)現(xiàn)氣彈失穩(wěn)時(shí)風(fēng)速主導(dǎo)頻率出現(xiàn)了類似渦激共振的鎖定現(xiàn)象。為驗(yàn)證該現(xiàn)象，分別開展了考慮結(jié)構(gòu)平均變形和受迫振動(dòng)的CFD數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著結(jié)構(gòu)平衡構(gòu)形的改變，結(jié)構(gòu)表面的漩渦脫落頻率也發(fā)生了變化，當(dāng)其與結(jié)構(gòu)某階自振頻率相接近時(shí)，就會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的大幅振蕩，而這種大幅振蕩

7、又反過來控制了漩渦脫落頻率，從而出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象。此外，還分析了系統(tǒng)總阻尼比隨風(fēng)速的變化，發(fā)現(xiàn)其隨風(fēng)速增加呈現(xiàn)先增大后減小的特征，峰值點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)出現(xiàn)氣彈失穩(wěn)時(shí)的前一個(gè)風(fēng)速；該現(xiàn)象可解釋為由于氣動(dòng)阻尼作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主導(dǎo)振型的阻尼比迅速增大，迫使結(jié)構(gòu)跳躍到阻尼比較低的另一階振型上振動(dòng)，從而揭示了振型跳躍的內(nèi)在原因?；谏鲜龇治?，可認(rèn)為膜結(jié)構(gòu)的氣彈失穩(wěn)是一種由旋渦脫落誘發(fā)的渦激共振現(xiàn)象，具有振幅突然增大、主導(dǎo)振型出現(xiàn)跳躍、總阻尼迅速衰減等特征。

8、r>　　4．采用解析方法推導(dǎo)了膜結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量和氣動(dòng)阻尼計(jì)算公式。
　　基于氣動(dòng)聲學(xué)理論和擬靜態(tài)理論，推導(dǎo)了均勻流中開敞式單向張拉膜結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量及氣動(dòng)阻尼解析公式。該方法將作用在膜面的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為氣動(dòng)聲壓和擬靜態(tài)風(fēng)壓兩部分，前者由膜面振動(dòng)對(duì)空氣的擠壓作用引起，與來流風(fēng)速無關(guān)，可采用氣動(dòng)聲學(xué)方法確定；后者與來流作用下膜面的擬靜態(tài)風(fēng)壓有關(guān)，反映了膜面振動(dòng)過程中形狀變化對(duì)風(fēng)荷載的影響，可通過對(duì)一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)形狀的風(fēng)荷載 C

9、FD數(shù)值模擬來確定。與氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，附加質(zhì)量解析公式的誤差不超過9.0％，氣動(dòng)阻尼解析公式的誤差也基本可以控制在20%以內(nèi)。進(jìn)一步分析表明：附加質(zhì)量和氣動(dòng)阻尼均隨著風(fēng)速的增大而增大，附加質(zhì)量可達(dá)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的5倍左右，氣動(dòng)阻尼可達(dá)結(jié)構(gòu)阻尼的10倍左右，因而在膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析中附加氣動(dòng)力作用不可忽視。
　　5．提出了考慮氣彈失穩(wěn)的膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法。
　　在現(xiàn)有膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上，增加了臨界風(fēng)速判定和附加氣動(dòng)