薄膜結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)中的流固耦合效應(yīng)研究.pdf

1、中國圖書分類號：TU392.5國際圖書分類號：624.014工學(xué)博士學(xué)位論文薄膜結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)中的流固耦合效應(yīng)研究博士研究生孫曉穎導(dǎo)師沈世釗教授申請學(xué)位工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)結(jié)構(gòu)工程所在單位土木工程學(xué)院答辯時間2007年1月授予學(xué)位單位哈爾濱工業(yè)大學(xué)：：：：：：：摘要I摘要薄膜結(jié)構(gòu)是近年來應(yīng)用十分廣泛的一種新型大跨度柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，其基本力學(xué)特點是“輕”和“柔”，因而對脈動風荷載的作用十分敏感，風荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要控制荷載。膜結(jié)構(gòu)在風荷載的

2、作用下通常會產(chǎn)生較大的變形和振動，這種大幅的變形和振動反過來也會影響到其表面風壓分布，產(chǎn)生所謂的“流固耦合”效應(yīng)。因此，要對膜結(jié)構(gòu)的風荷載以及風振響應(yīng)做出準確估算，除了借助常規(guī)分析手段外，還需要特別關(guān)注流固耦合的影響。但是由于膜結(jié)構(gòu)的外形和自身力學(xué)性能的復(fù)雜性，特別是幾何非線性的影響，使得對膜結(jié)構(gòu)流固耦合問題的研究異常復(fù)雜。目前國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究均處于起步階段。本文首先基于弱耦合分區(qū)求解策略，在CompaqVisualFtran6.

3、5環(huán)境下搭建了薄膜結(jié)構(gòu)三維流固耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬平臺(本文稱之為“直接數(shù)值模擬方法”)。程序采用模塊化編程思想，主要包含幾何建模、流體分析、結(jié)構(gòu)分析和數(shù)據(jù)交換四個模塊。其中幾何建模模塊采用自行編制的膜結(jié)構(gòu)找形分析程序；流體分析模塊采用經(jīng)過二次開發(fā)的計算流體力學(xué)軟件FLUENT6.0；結(jié)構(gòu)分析模塊采用自行編制的膜結(jié)構(gòu)動力分析程序MDLFX；在數(shù)據(jù)交換模塊中，編制了基于薄板樣條法的插值計算程序，以實現(xiàn)流固交界面上不同區(qū)域網(wǎng)格間的數(shù)據(jù)傳遞問題

4、，編制了基于代數(shù)法和迭代法的動網(wǎng)格變形程序，以實現(xiàn)流固耦合運算中的動網(wǎng)格更新?；谠撥浖脚_，對單向柔性屋蓋和鞍形膜結(jié)構(gòu)屋蓋進行了流固耦合數(shù)值模擬，驗證了方法的有效性。鑒于直接數(shù)值模擬方法的計算量巨大，缺乏工程可操作性，本文又提出了一種更為實用的簡化數(shù)值模擬方法。該方法的基本思想是，先將結(jié)構(gòu)響應(yīng)分為平均響應(yīng)、背景響應(yīng)和共振響應(yīng)三部分，再針對這三種響應(yīng)分量的不同性質(zhì)，采用不同的求解方法，以達到盡量減少CFD運算時間的目的。在平均響應(yīng)部分，