薄膜結構風振響應中的流固耦合效應研究.pdf

1、中國圖書分類號：TU392.5國際圖書分類號：624.014工學博士學位論文薄膜結構風振響應中的流固耦合效應研究博士研究生孫曉穎導師沈世釗教授申請學位工學博士學科、專業(yè)結構工程所在單位土木工程學院答辯時間2007年1月授予學位單位哈爾濱工業(yè)大學：：：：：：：摘要I摘要薄膜結構是近年來應用十分廣泛的一種新型大跨度柔性屋蓋結構，其基本力學特點是“輕”和“柔”，因而對脈動風荷載的作用十分敏感，風荷載是結構設計中的主要控制荷載。膜結構在風荷載的

2、作用下通常會產(chǎn)生較大的變形和振動，這種大幅的變形和振動反過來也會影響到其表面風壓分布，產(chǎn)生所謂的“流固耦合”效應。因此，要對膜結構的風荷載以及風振響應做出準確估算，除了借助常規(guī)分析手段外，還需要特別關注流固耦合的影響。但是由于膜結構的外形和自身力學性能的復雜性，特別是幾何非線性的影響，使得對膜結構流固耦合問題的研究異常復雜。目前國內(nèi)外在這一領域的研究均處于起步階段。本文首先基于弱耦合分區(qū)求解策略，在CompaqVisualFtran6.

3、5環(huán)境下搭建了薄膜結構三維流固耦合效應的數(shù)值模擬平臺(本文稱之為“直接數(shù)值模擬方法”)。程序采用模塊化編程思想，主要包含幾何建模、流體分析、結構分析和數(shù)據(jù)交換四個模塊。其中幾何建模模塊采用自行編制的膜結構找形分析程序；流體分析模塊采用經(jīng)過二次開發(fā)的計算流體力學軟件FLUENT6.0；結構分析模塊采用自行編制的膜結構動力分析程序MDLFX；在數(shù)據(jù)交換模塊中，編制了基于薄板樣條法的插值計算程序，以實現(xiàn)流固交界面上不同區(qū)域網(wǎng)格間的數(shù)據(jù)傳遞問題

4、，編制了基于代數(shù)法和迭代法的動網(wǎng)格變形程序，以實現(xiàn)流固耦合運算中的動網(wǎng)格更新。基于該軟件平臺，對單向柔性屋蓋和鞍形膜結構屋蓋進行了流固耦合數(shù)值模擬，驗證了方法的有效性。鑒于直接數(shù)值模擬方法的計算量巨大，缺乏工程可操作性，本文又提出了一種更為實用的簡化數(shù)值模擬方法。該方法的基本思想是，先將結構響應分為平均響應、背景響應和共振響應三部分，再針對這三種響應分量的不同性質，采用不同的求解方法，以達到盡量減少CFD運算時間的目的。在平均響應部分，