考虑气弹耦合作用的高层建筑气动外形优化研究

摘要

随着高层建筑结构不断的向更高、更柔的方向发展，风与结构的耦合作用愈加显著，建筑结构风致响应也更加突出。减小结构所受的风荷载及其风致效应越来越成为结构风工程研究的重要问题。而作用于建筑表面的风荷载与建筑物外形密切相关，调整和改变建筑物外形是改善高层建筑结构抗风性能经济且有效的方式。因此有必要对高层建筑进行考虑气弹耦合作用的气动外形优化研究，以提高结构在耦合作用下的抗风性能。本文以200m高的高层建筑为研究对象，主要开展了以下几个方面的研究：
　　（1）基于ANSYS Workbench平台，联合使用ANSYS固体分析模块和CFX流场分析模块，采用雷诺平均法中的SST k-ω湍流模型对高层建筑分别进行单向和双向气弹耦合数值风洞模拟，得到了两种不同情况下的建筑表面风压、等效应力及结构位移响应，并将其结果对比分析，说明考虑结构变形对流场影响的双向耦合作用对分析结果影响较大，在高层建筑结构风荷载计算及外形优化中应该加以考虑。
　　（2）将近似模型优化方法引入高层建筑气动外形优化，并与一般优化算法结合，减少气动外形优化过程中调用CFD数值风洞模拟分析次数，提高优化效率，解决一般的直接优化方法较难实现的计算量大的优化问题。
　　（3）基于ANSYS Workbench中的设计探索功能（Design Exploration）模块，以42m×33m×200m长方体建筑为例，将长宽高作为设计变量，结构第一阶自振频率和顶部最大相对位移作为约束，最大Mises等效应力作为目标函数。采用CCD抽样+标准二次响应面模型+NLPQL优化算法对考虑风与结构双向耦合作用的高层建筑的单目标优化问题进行分析，从而实现对近似模型优化技术应用于高层建筑气动外形优化的探讨，并实现了风洞试验无法实现的连续变量的优化问题。
　　（4）基于ANSYS Workbench中的设计探索功能（Design Exploration）模块，以带削角的高层建筑为例，将迎风面宽度和削角尺寸作为设计变量，建筑占地面积、结构第一阶自振频率和顶部最大位移作为约束，建筑表面最大负压与最大Mises等效应力作为目标函数。采用BBD抽样+Kriging近似模型+MOGA优化算法对多目标优化问题进行分析，进一步阐述基于近似模型优化技术的考虑风与结构气动弹性耦合作用的高层建筑外形优化方法及过程。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.3 本文研究内容及方法

第2章 气弹耦合分析及近似模型优化理论基础

2.1 结构外流场特性

2.2 数值风洞模拟

2.3 近似模型优化方法介绍

2.4 本章小结

第3章 高层建筑气动弹性数值风洞模拟分析

3.1 数值风洞模拟模型的建立

3.2 网格划分

3.3 CFX边界条件设置及湍流模型的选择

3.4 求解器设置

3.5 数值风洞模拟结果分析

3.6 本章小结

第4章 高层建筑结构气动外形优化

4.1 优化设计基本理论

4.2 ANSYS Workbench 仿真优化过程

4.3长方体高层建筑优化

4.4 带削角的高层建筑优化

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢