張拉膜結構的風荷載分析和流固耦合效應分析.pdf

1、近年來，索膜結構以其質輕、經濟，抗火抗震性能優(yōu)越等特點倍受工程設計人員青睞，廣泛應用在大跨空間領域。然而索膜結構的重量輕，對風荷載的作用非常敏感，風荷載是此類結構設計中的主要控制荷載。無論是國內還是國外，膜結構的抗風設計理論都不夠成熟，對某些情況下風作用的破壞機理尚不清楚。結構繞流復雜、幾何非線性明顯、流固耦合效應是造成膜結構抗風研究困難的主要原因。 針對膜結構的風荷載和風致響應問題，本文從風場模擬、膜結構表面脈動風壓的空間相關

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

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。 為進一步研究膜結構表面脈動風壓的空間相關性，作者對球殼和馬鞍形兩個典型空間曲面的剛性風洞試驗數據進行深入分析，比較大跨空間結構表面脈動風壓與脈動風速的頻譜特性差異，并基于這種差異，尋求一種適合空間結構表面脈動風壓的描述方法。 鑒于現(xiàn)有考慮膜結構與風場流固耦合數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，流場部分計算采用邊界元

4、程序，結構計算部分則利用ANSYS有限元軟件。經若干次迭代計算，得到穩(wěn)態(tài)下膜結構表面的風壓分布及其變形值。邊界元法流場計算結果的可靠性通過兩個球殼與兩個懸鏈面結構與風洞試驗數據的對比得以驗證。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構與應用CFD軟件的直接數值模擬方法計算結果對比得到證明。多個算例表明，該簡化計算方法穩(wěn)定性強，在有限的迭代次數內可以收斂。 運用本文的風—膜結構流固耦合簡化計算方法，對底部封閉的馬

5、鞍形張拉膜結構與風的流固耦合效應進行參數分析，具體包括：膜結構的矢跨比、初始預張力以及風場的風速與風向角的變化對流固耦合效應的影響。研究表明，在相同情況下，流固耦合效應對結構位移產生的影響遠遠大于對等效應力的影響；流固耦合效應隨風場入口處風速的增大而顯著，且隨來流風向角的變化而變化；流場風速對流固耦合的影響沒有風向角影響顯著；膜結構矢跨比的增加或初始預張力的增加都可以減少流固耦合效應的影響，有效地減少結構位移。但初始預張力增大到一定程度