膜結構流體-結構耦合作用風致動力響應數值模擬研究.pdf

1、目前國內學者對建筑結構流體—結構耦合作用的風致動力響應分析沒有形成—套完整系統的理論體系，國內計算風工程(CWE)領域也沒有一套具有自主知識產權的計算流體動力學(CFD)軟件。國外的CFD軟件(如CFX，FLUENT，ADINA等)已相對成熟，但是從目前有關文獻和軟件的相關資料中無法找到這些軟件相應的系統的、詳細的計算理論和方法。本文基于ADINA軟件的思想探索性地建立了流體—結構耦合作用的計算理論框架，針對張拉膜結構流體—結

2、構耦合作用(Fluid—Structures Interaction)風致動力響應分析的實際情況，詳細推導了流體和結構以及流體—結構耦合作用求解所涉及到的控制方程和相應的有限元公式以及相應的算法，首次提出了使用ADINA軟件進行張拉膜結構流體—結構耦合作用風致動力響應的分析方法。本文采用Lagrangian方法來描述結構動力學控制方程，且假定膜結構材料為線彈性各向異性材料，所考慮的結構變形為大位移小應變的幾何非線性問題。假

3、定流體為粘性不可壓縮流體(氣體)，而采用ALE方法來描述流體流動的動力學控制方程,所采用的湍流模型為標準的K-ε湍流模型。根據Galerkin虛速度原理推導了粘性不可壓縮流體流動控制方程的有限元公式，采用基于流動條件插值(FCBI)的三維單元的穩(wěn)定有限元求解技術，來避免數值計算的不穩(wěn)定性。根據Galerkin虛位移原理推導了幾何非線性結構基于全Lagrangian方法的有限元公式。本質上，對于流體和結構問題的有限元方程求解的

4、時間積分都采用TR—BDF法，該方法具有二階精度。結構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條件廣義最小殘差方法(RPGMRES)進行求解?；贏LE坐標下流體的控制方程和Lagrangian坐標下結構的控制方程，提出用于幾何非線性膜結構流體—結構耦合作用計算的有限元公式，流體是不可壓縮粘性流體，流動可以是湍流也可以是層流。根據流體流動的ALE描述，提出流體網格更新的策略，采用偽結構法進行運動網格處理。同

5、時提出了流體和結構界面網格間的協調性和信息傳遞的映射策略及FSI耦合系統的求解算法，離散以后的耦合方程采用分區(qū)域迭代方法進行求解。在界面處交換流體和結構應力、速度和位移信息。對應于結構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條件廣義最小殘差方法(RPGMRES)進行求解。斜置平面膜結構和水平放置帶垂度的條形膜結構的流體—結構耦合作用風致動力響應數值模擬計算結果與風洞試驗結果的對比表明，數值模擬方法能夠有效地計算

6、出結構的風振系數，且能模擬出水平放置帶垂度的條形膜的風致動力響應特性的實際情況，這可為將來相關抗風方面的數值模擬計算提供對比和依據。本文還對簡單張拉平面膜結構和鞍形膜結構進行了數值計算。分析了結構在不同風速下的風致動力響應，得出了結構的風振系數和體形系數，可供工程設計人員參考使用。最后對本文的研究工作進行了總結和展望。關鍵詞：張拉膜結構，k-ε湍流模型，不可壓縮粘性流體N-S方程，流體—結構耦合作用，風致動力響應，FCBI單