【技术实现步骤摘要】
一种基于强耦合整体技术的索膜结构抗风设计方法
本专利技术属于建筑行业索膜结构抗风分析与设计领域,具体涉及一种基于强耦合整体技术的索膜结构抗风设计方法。
技术介绍
目前国内外索膜结构抗风设计理论尚不成熟。风与索膜结构的流固耦合作用是索膜结构抗风设计中的难点问题,流固耦合作用研究的滞后已成为制约索膜结构风振理论完善和发展的主要因素。沈世钊院士也曾指出,对于索膜结构的抗风设计,重点是解决风与索膜结构的流固耦合问题。因此采用合理方法研究风与索膜结构的流固耦合问题对于完善索膜结构的风振设计理论、指导工程实践具有重要的理论意义和实用价值。目前工程界已经可以通过使用相对成熟的有限元软件对索膜结构在风荷载下的应力、变形效应进行精确计算。同时,也能够通过使用计算流体动力学软件对索膜结构所受的风荷载进行准确估计。然而,对于流固耦合计算的数值方法和应用却少之又少。流固耦合作用分析的数值模拟技术包括弱耦合分区技术、强耦合分区技术和强耦合整体技术。弱耦合分区技术是在每一时间步内先对流体控制方程和结构控制方程分别独立求解,然后将作用在流体域模型上的气动力荷载通过流体和结构的交界面传递给结构域模型,用来预测结构的位移,然后再将结构的位移作为新的荷载传递给流体域,此过程如此反复,直到结果收敛于指定值。强耦合分区技术就是在流体域和结构域各自求解器的基础上再增加一次迭代循环,在每一个时间步求解非线性方程组,计算出全场变量的值。强耦合整体技术是指在每一时间步内对流体控制方程和结构控制方程同时联立求解,即在每一时间步内流体域和结构域互相传递气动力和结构位移的过程是同时进行的;狭义的说,就是对整个 ...
【技术保护点】
一种基于强耦合整体技术的索膜结构抗风设计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:根据实际膜结构材料的物理性质和实际膜结构的初始预应力,通过找形方法建立索膜结构的初始形态;步骤2:建立流固耦合体系控制方程和流固交界面处的耦合条件,流固耦合体系控制方程包括:流体域控制方程、结构域控制方程和线弹性有限元模型控制方程;流固交界面处的耦合条件包括流固交界面线弹性有限元模型和结构的位移耦合条件、流固交界面处流体和结构的应力耦合条件、流固交界面处流体和结构的速度耦合条件;步骤3:采用线弹性有限元模型处理流体域变形,利用线弹性有限元模型控制方程对流固耦合体系网格进行实时更新;步骤4:对流固耦合体系的控制方程和流固交界面处的耦合条件进行时空离散,得到流固耦合体系的各个控制方程的变分弱形式和流固交界面处的各耦合条件的变分弱形式,合并各个控制方程和耦合条件的变分弱形式,得到流固耦合体系的强耦合整体方程;步骤5:采用SST K‑ω湍流模型模拟湍流,建立SST K‑ω湍流模型控制方程,对SST K‑ω湍流模型控制方程进行空间离散,得到SST K‑ω湍流模型控制方程的变分弱形式,用SST K‑ω湍流模型的变分弱形 ...
【技术特征摘要】
1.一种基于强耦合整体技术的索膜结构抗风设计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:根据实际膜结构材料的物理性质和实际膜结构的初始预应力,通过找形方法建立索膜结构的初始形态;步骤2:建立流固耦合体系控制方程和流固交界面处的耦合条件,流固耦合体系控制方程包括:流体域控制方程、结构域控制方程和线弹性有限元模型控制方程;流固交界面处的耦合条件包括流固交界面线弹性有限元模型和结构的位移耦合条件、流固交界面处流体和结构的应力耦合条件、流固交界面处流体和结构的速度耦合条件;步骤3:采用线弹性有限元模型处理流体域变形,利用线弹性有限元模型控制方程对流固耦合体系网格进行实时更新;步骤4:对流固耦合体系的控制方程和流固交界面处的耦合条件进行时空离散,得到流固耦合体系的各个控制方程的变分弱形式和流固交界面处的各耦合条件的变分弱形式,合并各个控制方程和耦合条件的变分弱形式,得到流固耦合体系的强耦合整体方程;步骤5:采用SSTK-ω湍流模型模拟湍流,建立SSTK-ω湍流模型控制方程,对SSTK-ω湍流模型控制方程进行空间离散,得到SSTK-ω湍流模型控制方程的变分弱形式,用SSTK-ω湍流模型的变分弱形式替换流固耦合体系的强耦合整体方程中的流体域控制方程的变分弱形式,得到考虑湍流模型的流固耦合体系的强耦合整体方程;所述的对SSTK-ω湍流模型控制方程进行空间离散的具体方法为:采用伽辽金有限元法对SSTK-ω湍流模型的控制方程进行空间离散,即将滑移边界条件作为湍流的边界,将结构壁面的法线方向速度作为垂直于壁面的流体速度,得到离散后的SSTK-ω湍流模型的控制方程;所述SSTK-ω湍流模型模拟湍流的公式如下所示:其中,vf为流体流动速度,ρf为流体密度,σf为流体的全应力张量,k为湍动能,ε为湍动能的耗散率,ω=ε/k,vfi为流体在水平方向xi上的速度,vfj为流体在竖直方向xj上的速度,xi为水平方向,xj为竖直方向,μp为分子扩散所造成的动力粘性,μt为流体脉动速度对应的动力粘性,φ={α,β}为SST模型中的常数,β*=0.09;φ=F1φ1+(1-F1)φ2,φ1={α1,β1,σk1,σω1}为原k-ω模型的常数,φ2={α2,β2,σk2,σω2}为变形后k-ω模型的常数,F1为第一个混合函数;1h是膜结构中心距离最远壁面的距离;采用伽辽金有限元法对SSTK-ω湍流模型的控制方程进行空间离散,将滑移边界条件作为湍流的边界,垂直于壁面的流体速度由固体壁面的法线方向速度给定,结合的壁面摩擦边界条件;得到SSTK-ω湍流模型控制方程的变分弱形式如下所示:其中,λ和γ为检验函数,ftur1和ftur2分别表示SSTK-ω湍流模型控制方程的变分弱形式;用SSTK-ω湍流模型的变分弱形式替换流固耦合体系的强耦合整体方程中的流体域控制方程的变分弱形式,即得到考虑湍流模型的流固耦合体系的强耦合整体方程,如下所示:
【专利技术属性】
技术研发人员:孙芳锦,梁爽,张大明,冯旭,张辉,詹宇楠,王岩露,张尚祥,余磊,
申请(专利权)人:辽宁工程技术大学,
类型:发明
国别省市:辽宁;21
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