大型冷卻塔流固耦合分析與結構縮減模型應用研究.pdf

1、大型冷卻塔廣泛地應用于電力等各個工業(yè)領域。由于冷卻塔本身是大尺寸、幾何復雜的薄壁結構，因此風荷載成為主要的控制載荷。目前對于大型冷卻塔的風致響應主要基于規(guī)范的風壓分布系數、風洞測試和計算流體力學分析。但是這些方法很少考慮結構變形對于風載荷的影響，因此可能導致較大誤差。
　　本文首先提出基于壓力迭代方法來研究大型雙曲冷卻塔穩(wěn)態(tài)風載下的結構性能，同時以兩個冷卻塔為例考察了風荷載作用下的群塔間相互的影響。計算表明，規(guī)范方法相對保守;外部

2、空氣流動對塔體結構的影響起控制作用;前塔對后塔的影響較大，而后塔對前塔的影響很小。其次，采用流固耦合方法分析非穩(wěn)態(tài)風載下冷卻塔結構響應，在初始階段冷卻塔結構受到沖擊，響應較大，結構順風向響應占主導作用。
　　在保證計算精度的前提下，如何提高分析效率是復雜結構分析面臨的長期挑戰(zhàn)。模型縮減近似技術為降低計算成本和提高設計效率提供了一條有效的途徑。本文研究了基于梁剛體元近似模型與基于柔度修正的結構縮減模型，提出了弱流固耦合分析的近似方法

3、。三維圓柱殼結構風載荷下的動力分析結果表明，基于兩種結構模型的弱流固耦合方法結果比較一致，不考慮耦合作用誤差較大;與ANSYS的彈性流固耦合模型的分析結果也一致。另外，基于不同流體求解器所造成的差異還需要進一步研究;對于考慮流固耦合影響下的結構響應，隨著風速的升高，結構頂部橫風向位移峰值也呈非線性增大。
　　結構優(yōu)化需要不斷對結構進行重分析，因此計算效率一直是大型復雜結構優(yōu)化設計面臨的難點。本文基于實驗設計構造替代模型，提出了大型

4、冷卻塔風載下抗風優(yōu)化設計的兩級優(yōu)化策略，先采用多島遺傳算法進行全局尋優(yōu)，再利用序列二次規(guī)劃法進行局部尋優(yōu)，以進一步尋找更滿意的優(yōu)化解。在基于替代模型的兩級優(yōu)化中，第一級優(yōu)化采用規(guī)范方法進行風荷載計算以提高計算效率，得到初步的優(yōu)化解;第二級優(yōu)化中，以第一級優(yōu)化的結果作為初始設計點，采用精度更高的基于壓力迭代修正的結構抗風分析方法，并根據設計變量的重要性，在第一級優(yōu)化空間基礎上對第二級優(yōu)化的設計變量空間進行適當減縮。
　　最后，本文利

5、用結構縮減模型對含局部非線性問題的結構問題進行了探索。對帶有局部非線性阻尼構件的結構系統(tǒng)，傳統(tǒng)的結構縮減模型不能直接處理。因此本文在基于柔度修正的模型縮減方法基礎上，考慮非線性阻尼構件對主體結構的影響，提出了一種快速的局部非線性動力求解方法。
　　通過計算表明，該方法具有很高的精度和效率，同時該方法能考慮阻尼器構件的失效對結構響應的影響。適當控制阻尼器最大失效變形和最大失效軸力，能在安裝阻尼器構件的基礎上進一步保護主體結構。