基于流固耦合方法的气枕式薄膜结构特性研究

摘要

经过近十余年来的发展，张拉薄膜结构的基本理论已为我国一些科研人员所掌握，但是对于充气式薄膜结构，特别是气枕式薄膜结构的一些问题尚未得到解决，如气枕式薄膜结构的静力分析、动力分析以及其在风荷载作用下可能存在的流固耦合作用分析。本文着重在前两个方面开展工作。 本文基于势流体理论给出了适用于计算气枕式薄膜结构的流固耦合方程，采用有限元软件ADINA对于气枕式膜结构进行建模。对一个具有解析解的球形算例进行了形态分析计算，以此来验证模型的有效性，随后以国家游泳中心“水立方”的一个气枕式单元为对象，进行了形态分析和多个工况的静荷载分析，总结了气枕式薄膜结构在静力荷载下的工作压强变化规律以及薄膜应力变化规律，以及初始工作压强和外荷载对膜面位移和应力的影响。之后，对一气枕式充气膜结构进行了模态分析，总结了初始工作压强对于模态的影响。最后，本文采用Davenport谱生成了脉动风速时程，利用计算流体力学方法得到结构的风压系数，对气枕式膜结构进行了风致响应分析，得到了结构在风荷载作用下的反应特性。 综上所述，本文运用基于流固耦合理论的有限元数值模拟技术在气枕式薄膜结构的形态分析，受力、动力特性分析以及风致响应分析方面得出了一些有意义的结论，希望能为今后的气枕式膜结构抗风设计提供一些参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 薄膜结构的发展史

1.2 膜结构的分类

1.3 气枕式薄膜结构的研究现状

1.4 基于速度势的流固耦合方法研究综述

1.5 本文的主要工作

2 气枕式薄膜结构的流固耦合理论基础和分析方法

2.1 热力学基础

2.1.1 完全气体假设和状态方程

2.1.2 音速和马赫数

2.1.3 马赫数M及其物理意义

2.2 由速度势表示的气体小扰动方程

2.3 基于势流体的流固耦合方程

2.3.1 虚功原理

2.3.2 局部坐标系下的方程离散

2.3.3 耦合矩阵的确定

2.3.4 整体坐标系下的动力平衡方程

2.3.5 静力平衡方程

2.3.6 特征值方程

2.4 小结

3 气枕式膜结构初始形态分析

3.1 Adina初始形态分析方法

3.2 球状气枕式充气膜结构形态分析方法的有效性验证

3.3 国家游泳中心气枕式充气膜结构形态分析

3.3.1 算例

3.3.2 初始工作压强对膜面第一主应力的影响

3.4 小结

4 静力荷载分析

4.1 方法的有效性验证

4.1.1 球状受沿内法线方向均布荷载

4.1.2 球状受沿外法线方向均布荷载

4.1.3 与完全气体状态方程对比

4.2 国家游泳中心气枕式充气膜结构受力分析

4.2.1 集中荷载下水立方气枕受力分析

4.2.2 水立方气枕上表面受内法线法线方向均布荷载的受力分析

4.2.3 水立方气枕上表面受外法线方向均布荷载的受力分析

4.2.4 荷载值及初始工作压强对气枕的影响

4.3 小结

5 模态分析

5.1 水立方单元模态分析数值计算

5.2 不同初始工作压强对自振频率的影响

5.3 小结

6 气枕式薄膜结构的风致动力反应分析

6.1 风荷载的模拟

6.1.1 风速时程的生成

6.1.2 风荷载的计算

6.2 气枕式薄膜结构风致反应时程分析

6.3 小结

结论和展望

参考文献

作者简历

致谢