薄膜结构风荷载数值模拟的新方法和应用

摘要

轻质薄膜结构是一类特殊的风敏感结构，其内外表面同时承受风荷载的作用，厚度相对其他2个方向的维度小得多，这给风荷载的试验模拟或数值模拟的准确建模增加难度。通常膜结构数值模拟建模过程中，需要用空间膜曲面切割整个流域，以使得膜面成为流域内边界组成部分，建模过程复杂；或者，为避免薄面建模和划分网格的困难，在建几何模型时放宽厚度方向的尺度模拟，放大厚度尺度，将薄膜模拟为实体，这种简化将不可避免带来计算误差。本文针对这一问题，提出了一种新的通用的“子流域叠加(Computational Subdomain Superposition，CSS)”方法以克服复杂薄膜结构教值风洞建模的困难。该方法的主要思想是将有厚度的薄膜结构自身占据的空间模拟为“附加子流域”，叠加到主结构绕流场计算模型上，通过适当的边界条件定义，可将薄膜结构准确模拟为“薄面”；再采用网格插值，获得内外表面的风荷载合力。以一复杂的薄膜结构工程为例，介绍了这种方法的步骤和应用，结合作者提出的模拟平衡边界层的新的边界条件数学模型[1-3]，以准确模拟薄膜结构风荷载效应。研究表明，本文提出的新方法，在土木工程薄膜结构风效应的数值模拟研究中，具有一般通用性和推广应用价值。