張拉膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分析和流固耦合效應(yīng)分析.pdf

1、近年來，索膜結(jié)構(gòu)以其質(zhì)輕、經(jīng)濟(jì)，抗火抗震性能優(yōu)越等特點倍受工程設(shè)計人員青睞，廣泛應(yīng)用在大跨空間領(lǐng)域。然而索膜結(jié)構(gòu)的重量輕，對風(fēng)荷載的作用非常敏感，風(fēng)荷載是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要控制荷載。無論是國內(nèi)還是國外，膜結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計理論都不夠成熟，對某些情況下風(fēng)作用的破壞機(jī)理尚不清楚。結(jié)構(gòu)繞流復(fù)雜、幾何非線性明顯、流固耦合效應(yīng)是造成膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究困難的主要原因。 針對膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)問題，本文從風(fēng)場模擬、膜結(jié)構(gòu)表面脈動風(fēng)壓的空間相關(guān)

2、性、流固耦合的簡化計算方法及膜結(jié)構(gòu)—風(fēng)流固耦合參數(shù)分析四個方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 本文首先基于小波分析方法，提出了考慮空間相關(guān)性的空間多點隨機(jī)風(fēng)場的模擬方法。在模擬過程中，首先依據(jù)小波的多分辨率特性及小波重構(gòu)算法生成一系列不相關(guān)的一維風(fēng)速時程樣本，其中嘗試采用ARMA(自回歸滑動平均)法產(chǎn)生每一尺度小波系數(shù)并推導(dǎo)了相應(yīng)的計算公式。然后依據(jù)風(fēng)場的空間相關(guān)特性，修正已生成的不具有相關(guān)性的隨機(jī)場樣本，最終合成具有指定相關(guān)特性的空間風(fēng)場，

3、并通過多個算例驗證了這種方法擬合效果好，計算效率高。 為進(jìn)一步研究膜結(jié)構(gòu)表面脈動風(fēng)壓的空間相關(guān)性，作者對球殼和馬鞍形兩個典型空間曲面的剛性風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，比較大跨空間結(jié)構(gòu)表面脈動風(fēng)壓與脈動風(fēng)速的頻譜特性差異，并基于這種差異，尋求一種適合空間結(jié)構(gòu)表面脈動風(fēng)壓的描述方法。 鑒于現(xiàn)有考慮膜結(jié)構(gòu)與風(fēng)場流固耦合數(shù)值模擬方法的計算量大，本文提出了一種簡化計算方法。該方法采用分區(qū)求解策略，引入勢流假設(shè)，流場部分計算采用邊界元

4、程序，結(jié)構(gòu)計算部分則利用ANSYS有限元軟件。經(jīng)若干次迭代計算，得到穩(wěn)態(tài)下膜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布及其變形值。邊界元法流場計算結(jié)果的可靠性通過兩個球殼與兩個懸鏈面結(jié)構(gòu)與風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的對比得以驗證。而流固耦合計算方法的可靠性本文通過單向柔性屋蓋及馬鞍型膜結(jié)構(gòu)與應(yīng)用CFD軟件的直接數(shù)值模擬方法計算結(jié)果對比得到證明。多個算例表明，該簡化計算方法穩(wěn)定性強(qiáng)，在有限的迭代次數(shù)內(nèi)可以收斂。 運用本文的風(fēng)—膜結(jié)構(gòu)流固耦合簡化計算方法，對底部封閉的馬

5、鞍形張拉膜結(jié)構(gòu)與風(fēng)的流固耦合效應(yīng)進(jìn)行參數(shù)分析，具體包括：膜結(jié)構(gòu)的矢跨比、初始預(yù)張力以及風(fēng)場的風(fēng)速與風(fēng)向角的變化對流固耦合效應(yīng)的影響。研究表明，在相同情況下，流固耦合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對等效應(yīng)力的影響；流固耦合效應(yīng)隨風(fēng)場入口處風(fēng)速的增大而顯著，且隨來流風(fēng)向角的變化而變化；流場風(fēng)速對流固耦合的影響沒有風(fēng)向角影響顯著；膜結(jié)構(gòu)矢跨比的增加或初始預(yù)張力的增加都可以減少流固耦合效應(yīng)的影響，有效地減少結(jié)構(gòu)位移。但初始預(yù)張力增大到一定程度