膜結(jié)構(gòu)流體-結(jié)構(gòu)耦合作用風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)流體—結(jié)構(gòu)耦合作用的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析沒(méi)有形成—套完整系統(tǒng)的理論體系，國(guó)內(nèi)計(jì)算風(fēng)工程(CWE)領(lǐng)域也沒(méi)有一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件。國(guó)外的CFD軟件(如CFX，F(xiàn)LUENT，ADINA等)已相對(duì)成熟，但是從目前有關(guān)文獻(xiàn)和軟件的相關(guān)資料中無(wú)法找到這些軟件相應(yīng)的系統(tǒng)的、詳細(xì)的計(jì)算理論和方法。本文基于ADINA軟件的思想探索性地建立了流體—結(jié)構(gòu)耦合作用的計(jì)算理論框架，針對(duì)張拉膜結(jié)構(gòu)流體—結(jié)

2、構(gòu)耦合作用(Fluid—Structures Interaction)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析的實(shí)際情況，詳細(xì)推導(dǎo)了流體和結(jié)構(gòu)以及流體—結(jié)構(gòu)耦合作用求解所涉及到的控制方程和相應(yīng)的有限元公式以及相應(yīng)的算法，首次提出了使用ADINA軟件進(jìn)行張拉膜結(jié)構(gòu)流體—結(jié)構(gòu)耦合作用風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)的分析方法。本文采用Lagrangian方法來(lái)描述結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制方程，且假定膜結(jié)構(gòu)材料為線彈性各向異性材料，所考慮的結(jié)構(gòu)變形為大位移小應(yīng)變的幾何非線性問(wèn)題。假

3、定流體為粘性不可壓縮流體(氣體)，而采用ALE方法來(lái)描述流體流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)控制方程,所采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的K-ε湍流模型。根據(jù)Galerkin虛速度原理推導(dǎo)了粘性不可壓縮流體流動(dòng)控制方程的有限元公式，采用基于流動(dòng)條件插值(FCBI)的三維單元的穩(wěn)定有限元求解技術(shù)，來(lái)避免數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定性。根據(jù)Galerkin虛位移原理推導(dǎo)了幾何非線性結(jié)構(gòu)基于全Lagrangian方法的有限元公式。本質(zhì)上，對(duì)于流體和結(jié)構(gòu)問(wèn)題的有限元方程求解的

4、時(shí)間積分都采用TR—BDF法，該方法具有二階精度。結(jié)構(gòu)線性方程組使用稀疏矩陣求解器求解，而流體線性方程組使用右預(yù)條件廣義最小殘差方法(RPGMRES)進(jìn)行求解?；贏LE坐標(biāo)下流體的控制方程和Lagrangian坐標(biāo)下結(jié)構(gòu)的控制方程，提出用于幾何非線性膜結(jié)構(gòu)流體—結(jié)構(gòu)耦合作用計(jì)算的有限元公式，流體是不可壓縮粘性流體，流動(dòng)可以是湍流也可以是層流。根據(jù)流體流動(dòng)的ALE描述，提出流體網(wǎng)格更新的策略，采用偽結(jié)構(gòu)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格處理。同

5、時(shí)提出了流體和結(jié)構(gòu)界面網(wǎng)格間的協(xié)調(diào)性和信息傳遞的映射策略及FSI耦合系統(tǒng)的求解算法，離散以后的耦合方程采用分區(qū)域迭代方法進(jìn)行求解。在界面處交換流體和結(jié)構(gòu)應(yīng)力、速度和位移信息。對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)和流體的線性方程組的求解分別采用稀疏矩陣求解器和右預(yù)條件廣義最小殘差方法(RPGMRES)進(jìn)行求解。斜置平面膜結(jié)構(gòu)和水平放置帶垂度的條形膜結(jié)構(gòu)的流體—結(jié)構(gòu)耦合作用風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，數(shù)值模擬方法能夠有效地計(jì)算

6、出結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)，且能模擬出水平放置帶垂度的條形膜的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)特性的實(shí)際情況，這可為將來(lái)相關(guān)抗風(fēng)方面的數(shù)值模擬計(jì)算提供對(duì)比和依據(jù)。本文還對(duì)簡(jiǎn)單張拉平面膜結(jié)構(gòu)和鞍形膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。分析了結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速下的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)，得出了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)和體形系數(shù)，可供工程設(shè)計(jì)人員參考使用。最后對(duì)本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：張拉膜結(jié)構(gòu)，k-ε湍流模型，不可壓縮粘性流體N-S方程，流體—結(jié)構(gòu)耦合作用，風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)，F(xiàn)CBI單