台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法技术

本发明专利技术公开了一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，该方法包括：1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；4)实现中小尺度流场信息耦合；5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。本发明专利技术方法实现从工程场地气象大尺度、城市风环境中尺度到建筑结构小尺度的风效应数据信息耦合传递，有利于提高建筑结构抗台风灾害水平。

【技术实现步骤摘要】
台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法
本专利技术涉及土木工程结构抗风技术，尤其涉及一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法。
技术介绍
现代城市建筑越来越向着更高、更轻以及跨度更大的方向发展,给结构设计人员造成了更加艰巨的挑战。对于大跨薄膜和高耸悬臂等结构，由于刚度较小，其在强风作用下常发生较大位移，而发生位移后的结构空间状态又会影响周围流场和气压分布。在极端强风条件如台风持续作用下，这些柔性结构与大气流场的耦合现象非常明显，较大的结构位移反应会影响结构承载力并发生破坏。因此，有必要在这类结构的抗台风设计中考虑流固耦合效应。目前工程实践主要依靠现场实测、风洞试验以及CFD仿真技术开展结构流固耦合问题研究，其中利用CFD技术进行瞬态流体-结构耦合分析已经受到工程实践和学术研究的广泛关注。国内外已有许多学者开始利用CFD瞬态分析技术开展建筑结构流固耦合效应分析，但目前该类仿真技术在结构抗台风设计方面极为缺乏，主要有以下几点不足：(1)现有计算方法一般分别采用基于有限体积法的流体求解器和有限元固体求解器分别求解结构风压和位移，计算过程较为复杂，需要花费大量时间在CFD网格划分和耦合步骤上，严重影响工程实践应用效率；(2)以往的流固耦合仿真技术仅考虑结构位和理想大气流场的相互影响，未考虑真实台风气象条件与结构流场的耦合作用；(3)过境台风变化复杂，直接影响工程场地风场特性，同时场地周边建筑也会影响目标建筑附近流场，现有计算方法未能充分考虑实际台风作用和场地干扰建筑对目标建筑风压分布的共同影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷，提供一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，包括以下步骤：1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；4)利用WRF风场信息指定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。按上述方案，步骤2)具体包括以下子步骤：2.1)根据历史台风发生的气象数据和GIS地形地貌数据，设置四层嵌套网格计算域，启动单向网格嵌套模拟，其中目标建筑区域位于最内层网格计算域中心；2.2)设置多种描述大气物理变化过程的参数，进行台风路径强度模拟；2.3)针对包含目标建筑位置的场地，基于WRF最内层网格计算域进行近地面台风风场模拟。2.4)基于NCL程序脚本批量处理台风风场数据，处理最内层网格嵌套域的三维风速和湍流场信息。按上述方案，步骤2)中四层嵌套网格计算域的网格水平精度依次为36km、12km、4km和1.333km。按上述方案，所述步骤3)具体包括以下步骤：3.1)根据WRF最内层网格计算域中心进一步确定CFD计算流域范围，确定城市干扰建筑物几何尺寸；3.2)初始设置XFlow软件；3.3)设置计算流域尺寸为矩形，根据目标建筑物的特征长度和建筑高度设置参考尺寸，导入干扰建筑物的几何模型，设置干扰建筑物的Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，不设置结构耦合；3.4)导入与有限元分析模型几何坐标位置一致的目标建筑几何模型，设置Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，structuralcoupling设置为twoway，对其表面网格尺度进行加密，精细化计算建筑物表面流场。按上述方案，所述步骤4)具体包括以下步骤：4.1)根据GIS地理信息数据，提取与XFlow三维模型范围重合的WRF空间网格点的经纬度坐标信息，提取WRF计算域中粗网格点的三维时变平均风速和湍流动能信息，然后根据湍流动能和平均风速估算每个XFlow网格点湍流强度信息；4.2)根据时空坐标，将提取的边界处WRF网格点风速和湍流强度信息进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值计算XFlow细网格边界面上平均风速和湍流强度信息；4.3)根据时间和三维空间坐标，提取不同高度的内部WRF网格点进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值得到XFlow内部场的平均风速信息。按上述方案，所述步骤5)具体包括以下步骤：5.1)在XFlow软件中设置与有限元分析模型相同的模拟时长，设置时间积分步长、网格细分尺度以及结果输出设置选项；5.2)采用分区求解法，通过定义气固耦合面，将有限元分析模型分析得到的结构位移传递给XFlow，然后将XFlow分析得到的风压信息传递给有限元分析模型，以此反复循环，直到完成所需的耦合分析；5.3)计算完毕后处理布置结构表面探测点，分析结构表面风压和振动位移结果。按上述方案，所述步骤1)中利用Abaqus软件建立结构有限元分析模型。按上述方案，所述步骤1)具体包括以下步骤：1.1)对三维建筑几何模型进行简化分析，确定几何尺寸和材料力学属性，建立结构有限元模型，定义有限元结构材料、单元属性和边界条件；1.2)启动结构模态分析选项，确定结构自振频率和振型分布特征，处理结构自振特性信息；1.3)启动动力显式分析选项并确定时间分析时长，创建需要耦合风荷载和结构动位移的面集合并定义流体-结构联合仿真接触面；1.4)导出有限元模型INP脚本文件并人为添加流固耦合接触面信息，同时基于有限元分析模型导出目标建筑模型的STL格式几何文件。本专利技术产生的有益效果是：1、本专利技术利用参数化建模技术建立城市建筑三维模型，基于新一代计算流体力学软件XFlow快速建立城市级建筑结构流体分析模型，不需要进行手动网格划分，工作效率得到极大提升。2、本专利技术在处理WRF风场和CFD风场耦合时，考虑了初始和边界条件位置的平均风速和湍流强度信息耦合，相比于已有的多尺度模拟方法，其耦合性更接近真实情况，考虑了来自WRF流场的湍流特性，能够更加精细地考虑台风特殊气象条件对局部城市风场结构的影响，避免了依赖经验公式确定实际台风的湍流特性。3、本专利技术在建立城市级三维流体分析模型时，对目标建筑物进行了网格加密处理，同时评估了台风气象和真实建筑物干扰对目标建筑物附近流场的影响，更加精细地模拟了建筑结构的流固耦合过程，对于准确评估建筑结构在台风气象下的性能具有重要意义。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图；图2是本专利技术实施例的体育场及周边建筑模型示意图；图3是本专利技术实施例的体育场结构有限元模型示意图；图4是本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；/n2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；/n3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；/n4)根据WRF风场信息确定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；/n5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；
2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；
3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；
4)根据WRF风场信息确定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；
5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。


2.根据权利要求1所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)根据历史台风发生的气象数据和GIS地形地貌数据，设置四层嵌套网格计算域，启动单向网格嵌套模拟，其中目标建筑区域位于最内层网格计算域中心；
2.2)设置多种描述大气物理变化过程的参数，进行台风路径强度模拟；
2.3)针对包含目标建筑位置的场地，基于WRF最内层网格计算域进行近地面台风风场模拟。
2.4)根据台风风场数据，获得最内层网格嵌套域的三维风速和湍流场信息。


3.根据权利要求2所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，步骤2)中四层嵌套网格计算域的网格水平精度依次为36km、12km、4km和1.333km。


4.根据权利要求1所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，步骤3)中具体包括以下步骤：
3.1)根据WRF最内层网格计算域中心进一步确定CFD计算流域范围及城市干扰建筑物几何尺寸；
3.2)初始设置XFlow软件；
3.3)设置CFD计算流域尺寸为矩形，根据目标建筑物的特征长度和建筑高度设置参考尺寸，导入干扰建筑物的几何模型，设置干扰建筑物的Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，不设置结构耦合；
3.4)导入与有限元分析模型几何坐标位置一致的目标建筑几何模型，设置Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，structuralcoupling设置为twoway，对其表面网格尺度进行加密，精细化计算建筑...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慎，王义凡，程明，王杰，
申请(专利权)人：中南建筑设计院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42