薄膜結構的動力分析和風致氣動力失穩(wěn)研究.pdf

1、隨著科學技術的發(fā)展和施工工藝的進步，各種外形美觀、結構新穎的大跨度柔性薄膜結構被廣泛應用于體育館、飛機庫、展覽館等公共建筑。這類結構的一個顯著特點是，索和膜都不具有彎曲剛度，在外荷載的作用下結構變形明顯，而且剛度與變形相關，呈現(xiàn)出很強的幾何非線性特征。此外，薄膜質量非常輕，這些特點決定了薄膜結構對風荷載的作用十分敏感，空氣—結構的耦合作用對結構基本動力特性的影響相當顯著。與此同時，國內外關于薄膜結構風致動力響應問題的研究還較少，對于這類

2、結構風致氣動力失穩(wěn)方面的研究更是十分薄弱。因此，深入研究空氣氣動力影響下的薄膜結構動力分析及其風致氣動力穩(wěn)定性分析，具有十分重要的理論意義和工程應用價值。 本文采用簡化氣動力力學模型來描述空氣氣動力，通過引入附加空氣質量、氣承剛度和空氣輻射阻尼等概念來模擬附加氣動力與結構的相互作用，再通過理論推導和數(shù)值算例對氣動力各項因素的變化規(guī)律以及其對結構動力特性的影響規(guī)律進行系統(tǒng)研究，從而使空氣與結構的相互作用進一步量化。 基于有

3、限元方法，本文進一步采用通用的有限元分析軟件的3D實體聲音單元來模擬空氣對結構的作用。空氣被作為一種聲音介質，其與振動薄膜的相互作用通過聲壓力作用在薄膜表面。對有限空氣域設定適當?shù)倪吔鐥l件以模擬空氣對結構的附加氣動力作用。與以往試驗研究結果進行對比，證明了該方法的有效性，同時應用此方法研究了薄膜結構在空氣中的動力特性，以及空氣氣動力對薄膜結構動力特性的影響規(guī)律。 風致動力響應分析是薄膜結構抗風設計中的一個關鍵問題，其中風荷載的獲

4、得以及如何考慮結構周圍流場與結構的相互作用是其中的難點問題。本文基于AR法針對一開敞鞍型薄膜結構進行了風荷載的模擬，并通過建立空氣與結構的耦合有限元模型，進行了風振響應時程分析。此外，由于試驗技術和條件的限制，目前很難通過氣彈模型風洞試驗獲得結構的風荷載時程。因而為了尋求一種理論上的突破，本文采用一封閉平屋蓋的剛性模型風洞測壓試驗數(shù)據(jù)，建立薄膜屋蓋與周圍空氣流場的耦合有限元模型，進行了非線性風致動力響應分析，獲得了一些有意義的結論。

5、 由于薄膜質量很小，在風荷載作用下周圍流場與膜單元產生相互影響，導致結構發(fā)生較明顯的氣彈反應，當風速達到一定值時，可能發(fā)生動力失穩(wěn)現(xiàn)象。氣動力穩(wěn)定問題一直以來都是困擾人們的一個難點問題。針對高聳等線形結構的工作開展較多，而對于薄膜結構的氣動力穩(wěn)定分析和臨界風速的推導工作一直沒有進展。本文假定空氣流場為無粘性理想勢流，利用勢流理論和薄翼型理論推導作用于薄膜屋蓋上的氣動壓力，建立風與薄膜屋蓋的動力耦合作用方程，探討了氣動力失穩(wěn)的基本概念

6、，獲得了屋蓋氣動力失穩(wěn)的臨界風速及其相應規(guī)律。 薄膜結構的形狀通常較為復雜，同時實際工程較多薄膜結構是敞開式的，因此本文進一步采用正弦行波近似模擬薄膜振動形態(tài)，通過伯努力方程和伽勒金方法確定薄膜運動的失穩(wěn)階段和區(qū)域。將風和薄膜之間的邊界層考慮成無限小的屋面渦旋，同時考慮結構后緣的尾流渦旋，引入渦旋法推導了開敞式薄膜所受的氣動力。根據(jù)能量守恒原理和牛頓法迭代法求解薄膜失穩(wěn)時的振動幅值。進而通過薄膜振動的動力平衡關系，建立合適于薄膜