薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析和風(fēng)致氣動(dòng)力失穩(wěn)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和施工工藝的進(jìn)步，各種外形美觀、結(jié)構(gòu)新穎的大跨度柔性薄膜結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于體育館、飛機(jī)庫(kù)、展覽館等公共建筑。這類結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，索和膜都不具有彎曲剛度，在外荷載的作用下結(jié)構(gòu)變形明顯，而且剛度與變形相關(guān)，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何非線性特征。此外，薄膜質(zhì)量非常輕，這些特點(diǎn)決定了薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的作用十分敏感，空氣—結(jié)構(gòu)的耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力特性的影響相當(dāng)顯著。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于薄膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)問題的研究還較少，對(duì)于這類

2、結(jié)構(gòu)風(fēng)致氣動(dòng)力失穩(wěn)方面的研究更是十分薄弱。因此，深入研究空氣氣動(dòng)力影響下的薄膜結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析及其風(fēng)致氣動(dòng)力穩(wěn)定性分析，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 本文采用簡(jiǎn)化氣動(dòng)力力學(xué)模型來描述空氣氣動(dòng)力，通過引入附加空氣質(zhì)量、氣承剛度和空氣輻射阻尼等概念來模擬附加氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)的相互作用，再通過理論推導(dǎo)和數(shù)值算例對(duì)氣動(dòng)力各項(xiàng)因素的變化規(guī)律以及其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而使空氣與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)一步量化。 基于有

3、限元方法，本文進(jìn)一步采用通用的有限元分析軟件的3D實(shí)體聲音單元來模擬空氣對(duì)結(jié)構(gòu)的作用?？諝獗蛔鳛橐环N聲音介質(zhì)，其與振動(dòng)薄膜的相互作用通過聲壓力作用在薄膜表面。對(duì)有限空氣域設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件以模擬空氣對(duì)結(jié)構(gòu)的附加氣動(dòng)力作用。與以往試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該方法的有效性，同時(shí)應(yīng)用此方法研究了薄膜結(jié)構(gòu)在空氣中的動(dòng)力特性，以及空氣氣動(dòng)力對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響規(guī)律。 風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析是薄膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，其中風(fēng)荷載的獲

4、得以及如何考慮結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的相互作用是其中的難點(diǎn)問題。本文基于AR法針對(duì)一開敞鞍型薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)荷載的模擬，并通過建立空氣與結(jié)構(gòu)的耦合有限元模型，進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析。此外，由于試驗(yàn)技術(shù)和條件的限制，目前很難通過氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)程。因而為了尋求一種理論上的突破，本文采用一封閉平屋蓋的剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立薄膜屋蓋與周圍空氣流場(chǎng)的耦合有限元模型，進(jìn)行了非線性風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析，獲得了一些有意義的結(jié)論。

5、 由于薄膜質(zhì)量很小，在風(fēng)荷載作用下周圍流場(chǎng)與膜單元產(chǎn)生相互影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較明顯的氣彈反應(yīng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，可能發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。氣動(dòng)力穩(wěn)定問題一直以來都是困擾人們的一個(gè)難點(diǎn)問題。針對(duì)高聳等線形結(jié)構(gòu)的工作開展較多，而對(duì)于薄膜結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力穩(wěn)定分析和臨界風(fēng)速的推導(dǎo)工作一直沒有進(jìn)展。本文假定空氣流場(chǎng)為無粘性理想勢(shì)流，利用勢(shì)流理論和薄翼型理論推導(dǎo)作用于薄膜屋蓋上的氣動(dòng)壓力，建立風(fēng)與薄膜屋蓋的動(dòng)力耦合作用方程，探討了氣動(dòng)力失穩(wěn)的基本概念

6、，獲得了屋蓋氣動(dòng)力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速及其相應(yīng)規(guī)律。 薄膜結(jié)構(gòu)的形狀通常較為復(fù)雜，同時(shí)實(shí)際工程較多薄膜結(jié)構(gòu)是敞開式的，因此本文進(jìn)一步采用正弦行波近似模擬薄膜振動(dòng)形態(tài)，通過伯努力方程和伽勒金方法確定薄膜運(yùn)動(dòng)的失穩(wěn)階段和區(qū)域。將風(fēng)和薄膜之間的邊界層考慮成無限小的屋面渦旋，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)后緣的尾流渦旋，引入渦旋法推導(dǎo)了開敞式薄膜所受的氣動(dòng)力。根據(jù)能量守恒原理和牛頓法迭代法求解薄膜失穩(wěn)時(shí)的振動(dòng)幅值。進(jìn)而通過薄膜振動(dòng)的動(dòng)力平衡關(guān)系，建立合適于薄膜