考慮內(nèi)充氣體與外部膜材共同作用的ETFE氣枕力學(xué)性能及風(fēng)致響應(yīng)研究.pdf

1、ETFE氣枕式膜結(jié)構(gòu)是本世紀(jì)初才開始大量出現(xiàn)的新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。目前，有學(xué)者針對(duì)ETFE氣枕的力學(xué)性能與分析方法展開研究并取得了一定進(jìn)展。然而，已有研究僅涉及ETFE氣枕的形態(tài)分析和荷載分析等靜力學(xué)內(nèi)容，尚未觸及ETFE氣枕的自振特性和風(fēng)致響應(yīng)分析等動(dòng)力學(xué)問題。ETFE氣枕在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力問題涉及兩類耦合:一是內(nèi)充氣體與ETFE薄膜的共同作用，二是氣枕與外部風(fēng)場的流固耦合。第一類耦合的實(shí)質(zhì)是如何充分考慮內(nèi)充氣體對(duì)ETFE氣枕動(dòng)力特性的影

2、響，而第二類耦合的實(shí)質(zhì)是如何更準(zhǔn)確地計(jì)算外部流場的附加質(zhì)量、氣動(dòng)阻尼與氣承剛度效應(yīng)。
　　本文以實(shí)現(xiàn)耦合作用下的ETFE氣枕風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析為出發(fā)點(diǎn)，基于理論推導(dǎo)、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等手段對(duì)ETFE氣枕動(dòng)力分析中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容及創(chuàng)新包括:
　　(1)推導(dǎo)了充氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)充氣體與外部膜材的共同作用方程，提出基于共同作用模型的充氣膜結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法并進(jìn)行了算例驗(yàn)證。在張拉膜平衡方程中引入內(nèi)壓項(xiàng)得到外部膜材的

3、動(dòng)力學(xué)方程，基于勢流假定得到描述內(nèi)充氣體運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程，然后引入界面協(xié)調(diào)條件并將結(jié)構(gòu)、流體方程聯(lián)立得到了充氣膜系統(tǒng)的共同作用方程。對(duì)兩類典型充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了共同作用模型在充氣膜結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性和適用性。
　　(2)提出基于內(nèi)壓和膜面形狀測量的氣枕形態(tài)確定方法并用于ETFE氣枕的形態(tài)測試和加載測試，測試及分析結(jié)果表明該方法有效、可行。提出ETFE氣枕共同作用有限元模型的建立方法并進(jìn)行了靜力試驗(yàn)驗(yàn)證。定義了ETFE氣

4、枕的破壞模式與承載力確定準(zhǔn)則并探討了尺寸、矢跨比、膜面厚度對(duì)承載力-內(nèi)壓曲線的影響。結(jié)果表明:ETFE氣枕內(nèi)壓對(duì)外荷載十分敏感，荷載作用位置對(duì)氣枕的變形和內(nèi)壓影響明顯。在設(shè)計(jì)內(nèi)壓范圍內(nèi)，存在一個(gè)最優(yōu)氣壓使得ETFE氣枕具有最大承載力;尺寸、矢跨比及膜面厚度等參數(shù)變化會(huì)顯著影響氣枕的承載力。
　　(3)基于非接觸視頻測試并將峰值法、互譜法與指數(shù)擬合法相結(jié)合獲得了ETFE氣枕的模態(tài)參數(shù)及其隨內(nèi)壓和跨度的變化規(guī)律，研究了ETFE氣枕的自

5、由振動(dòng)模式、頻率分布及阻尼特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了ETFE氣枕的自振特性參數(shù)分析，研究了內(nèi)壓、矢跨比、跨度、膜厚及外部空氣對(duì)氣枕模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:測試氣枕的1階振型均為左右擠壓振動(dòng)，但后續(xù)模態(tài)的振型有所不同;ETFE氣枕在靜風(fēng)環(huán)境下屬于低阻尼結(jié)構(gòu)，模態(tài)阻尼比隨內(nèi)壓升高非線性下降;氣枕固有頻率隨著內(nèi)壓升高而非線性增加，隨跨度增加而迅速減小，且分布更為密集。內(nèi)壓與跨度變化對(duì)氣枕的模態(tài)振型影響有限;膜材厚度、矢跨比變化對(duì)氣枕低階和高

6、階模態(tài)頻率的影響效果不同;考慮外部空氣影響后的氣枕濕模態(tài)頻率較干模態(tài)頻率減小，外部空氣對(duì)氣枕動(dòng)力特性的影響隨氣枕跨度增加而顯著增大。
　　(4)驗(yàn)證了線性勢流單元在ETFE氣枕非線性、大變形隨機(jī)振動(dòng)分析中的適用性和準(zhǔn)確性，為氣枕流固耦合動(dòng)力分析奠定基礎(chǔ)。將CFD模擬的剛性氣枕表面風(fēng)壓時(shí)程加載于共同作用有限元模型進(jìn)行非線性隨機(jī)振動(dòng)分析，研究了ETFE氣枕在隨機(jī)風(fēng)荷載下的振動(dòng)模式及膜面響應(yīng)的分布特點(diǎn)。結(jié)果表明:風(fēng)荷載作用下氣枕振動(dòng)表現(xiàn)

7、出極強(qiáng)的整體性，上、下層膜面在內(nèi)充氣體的聯(lián)系下呈豎向整體擺動(dòng)。氣枕上層膜的響應(yīng)峰值向迎風(fēng)側(cè)偏移，沿風(fēng)向呈非對(duì)稱分布;氣枕下層膜響應(yīng)因僅受均布?jí)毫ψ饔枚瞥蕦?duì)稱分布。
　　(5)基于結(jié)構(gòu)-流體同步數(shù)值建模技術(shù)建立了包含整個(gè)建筑的ETFE氣枕流固耦合分析模型，計(jì)算了考慮流固耦合作用的ETFE氣枕風(fēng)致響應(yīng)，討論了流固耦合作用對(duì)ETFE氣枕響應(yīng)時(shí)程、空間分布、功率譜及風(fēng)振系數(shù)的影響。定義了ETFE氣枕的流固耦合效應(yīng)系數(shù)，并給出其在工程常

8、見風(fēng)速、內(nèi)壓、矢跨比和跨度下的變化規(guī)律和取值范圍。研究表明:ETFE氣枕在風(fēng)荷載下的流固耦合效應(yīng)主要表現(xiàn)為外流場對(duì)氣枕動(dòng)力響應(yīng)的單向影響，氣枕運(yùn)動(dòng)引起的流場改變十分微弱。流固耦合作用引起了較大的氣動(dòng)阻尼，抑制了ETFE氣枕的風(fēng)致振動(dòng)。流固耦合作用下ETFE氣枕的響應(yīng)譜表現(xiàn)為以低頻振動(dòng)為主的寬頻帶分布，與無耦合結(jié)果差異明顯，這表明有、無流固耦合作用下氣枕的風(fēng)致振動(dòng)機(jī)制有所區(qū)別，前者以風(fēng)荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)為主，而后者以結(jié)構(gòu)與流場的共振響應(yīng)

9、為主。ETFE氣枕的流固耦合效應(yīng)系數(shù)受風(fēng)速、內(nèi)壓、矢跨比及跨度影響顯著;在工程常見的風(fēng)速、內(nèi)壓、矢跨比及跨度范圍內(nèi)，氣枕流固耦合效應(yīng)系數(shù)的取值范圍分別為0.62～0.725、0.6～0.83、0.58～0.87及0.56～0.89。
　　本文以共同作用模型的理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證為基礎(chǔ)，并考慮氣枕與外部風(fēng)場間的流固耦合作用實(shí)現(xiàn)了ETFE氣枕的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬和全過程分析，研究了ETFE氣枕的靜、動(dòng)力性能及流固耦合特點(diǎn)，為氣枕工程設(shè)