一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法技术

本发明专利技术公开了一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法，包括：S1：获取白天各时刻真实的太阳相关信息；S2：利用ANSYS软件，计算得到各时刻太阳的三维点坐标以及施加太阳辐射热流的表面效应单元的太阳入射角；S3：筛选空间钢结构中未考虑杆件相互遮挡的受光照面单元；S4：获取受光照面单元的编号及其质心坐标；S5：将各时刻太阳三维点坐标和受光照面单元的编号及其质心坐标导为第一.txt文件；S6：利用Python软件，生成各时刻的日照单元编号；S7：将各时刻的日照单元编号导为第二.txt文件；S8：利用ANSYS软件读取第二.txt文件，以生成空间钢结构的日照阴影分布模型。钢结构的日照阴影分布模型。钢结构的日照阴影分布模型。

【技术实现步骤摘要】
一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法


[0001]本专利技术涉及土木工程结构
，具体涉及一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法。

技术介绍

[0002]空间钢结构因其具有承载能力强、装配化程度高、抗震性能好以及造型新颖等优点，多作为体育场馆、机场航站楼、铁路站房以及会展中心等大型公共建筑的上部屋盖结构。上部屋盖结构通常覆盖面积广、整体重量大且造型奇特，因此对钢屋盖高空施工合拢技术有较高的精度要求和安全要求。
[0003]钢材的导热系数约为混凝土的34倍，很容易随着外界的温度变化产生热胀冷缩效应，而空间钢结构多为高次超静定结构，冗余约束导致结构无法有效释放温度变形，致使结构产生温度次应力。特别是太阳辐射作用下，空间钢结构的温度场具有明显的非均匀性和时变性，其组成杆件会出现不同程度的轴向变形、弯曲变形以及截面不均匀变形，若无法准确计算空间钢结构的日照温度场，温度变形可能会影响到钢屋盖的高空施工精度和施工安全，给大型公共建筑的施工和运营埋下安全隐患。因此，有必要对太阳辐射作用下的空间钢结构日照温度场进行准确计算。
[0004]目前主要采用现场试验验证和数值模拟相结合的方法来获取空间钢结构的日照温度场分布规律。在空间钢结构日照温度场数值模拟中会涉及到有限元模型建立、杆件间的日照阴影判断以及边界约束施加等内容。其中，有限元模型通常采用板壳单元或实体单元和覆盖在其表面的效应单元共同建立(板壳单元或实体单元模拟热传导，表面效应单元用来施加太阳辐射热流)，以便有效模拟杆件的温度变形，以防空间钢结构局部失稳破坏；边界约束包括太阳短波辐射、空气对流换热、空气与周围环境的长波辐射；而日照阴影无法在有限元软件中直接计算，更没有一种现成的方法去计算。可以看出，空间钢结构的日照温度场数值模拟是一个复杂的多学科交叉的计算过程，计算精度受多种因素的制约，而日照阴影判断又是其中最难解决的关键制约因素。
[0005]现有的日照阴影计算方法主要有两种，一种是基于计算机图形学的包围盒检测，另一种是基于特定结构形状编制的几何阴影判定算法。第一种日照阴影计算方法针对的是以杆单元建立的有限元模型，未考虑太阳辐射作用下钢杆件的弯曲变形和截面不均匀变形，无法合理的表征杆件的实际工作状态，未考虑空间钢结构局部屈曲失稳的风险。且每个荷载步下都需要对单元的坐标进行多次转换，计算工程量大，不适合钢屋盖等大型空间钢结构的日照阴影计算；第二种日照阴影计算方法针对特定的结构，无法解决不同时刻下空间钢结构中大量交错杆件的日照阴影判别的问题。
[0006]因此，有必要基于有限元软件和编程软件建立一种准确计算空间钢结构日照阴影分布规律的联合仿真方法，解决空间钢结构日照温度场数值模拟中日照阴影判别难的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法，以解决空间钢结构日照温度场数值模拟中不同太阳位置下日照阴影分布规律计算困难的问题，提高了日照阴影计算的应用范围。
[0008]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0009]本专利技术提供一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法，所述空间钢结构的日照阴影分布建模方法包括：
[0010]S1：获取白天各时刻真实的太阳相关信息；
[0011]S2：根据所述真实的太阳相关信息，利用ANSYS软件，计算得到各时刻太阳的三维点坐标以及施加太阳辐射热流的表面效应单元的太阳入射角；
[0012]S3：根据所述太阳入射角，筛选空间钢结构中未考虑杆件相互遮挡的受光照面单元；
[0013]S4：获取所述受光照面单元的编号及其质心坐标；
[0014]S5：利用ANSYS软件的宏文件功能，将各时刻太阳三维点坐标和所述受光照面单元的编号及其质心坐标导为第一.txt文件；
[0015]S6：根据所述第一.txt文件，利用Python软件，生成各时刻的日照单元编号；
[0016]S7：将所述各时刻的日照单元编号导为第二.txt文件；
[0017]S8：利用ANSYS软件读取所述第二.txt文件，以生成空间钢结构的日照阴影分布模型。
[0018]可选择地，所述步骤S1中，所述真实的太阳相关信息包括真实的太阳高度角和真实的太阳方位角。
[0019]可选择地，所述步骤S2中，所述太阳入射角为：
[0020][0021]其中，cos_e(enum,x)为编号为enum的面单元法线与x轴夹角的余弦；cos_s(stime,x)为时间为stime时的太阳入射光线与x轴的夹角的余弦；cos_e(enum,y)为编号为enum的面单元法线与y轴夹角的余弦；cos_s(stime,y)为时间为stime时的太阳入射光线与y轴的夹角的余弦；cos_e(enum,z)为编号为enum的面单元法线与z轴夹角的余弦；cos_s(stime,z)为时间为stime时的太阳入射光线与z轴的夹角的余弦。
[0022]可选择地，所述步骤S3包括：利用太阳入射角的余弦大于零，筛选空间钢结构中未考虑杆件相互遮挡的受光照面单元。
[0023]可选择地，所述步骤S6包括：
[0024]S61：根据所述第一.txt文件中各时刻太阳三维点坐标，利用Python软件，计算各时刻太阳三维点坐标过原点的太阳入射光线方向向量；
[0025]S62：利用点法式方程确定各时刻过原点且与所述太阳入射光线方向向量垂直的平面方程并利用点向式方程确定各时刻的太阳入射光线方向向量过各单元质心坐标的直线方程；
[0026]S63：分别确定与各时刻的直线方程和平面方程的交点，交点编号与其对应的单元编号一致；
[0027]S64：在目标时刻的交点集合中选取一个交点作为主交点，其余交点为潜在次交点，其中，主交点编号对应的质心坐标Z值和次交点编号对应的质心坐标Z值之差的绝对值应大于一个限值，该限值与空间钢结构的造型以及组成杆件的截面形状有关；
[0028]S65：计算所述主交点和所述各次交点之间的间距；
[0029]需要说明的是，这里的间距实际上是间距集合，这个集合中若间距全大于控制值，日照单元就是主交点；若存在间距小于控制值的情况，可能是很多间距都小于控制值，则提取计算这些间距的主交点与各次交点中Z值最大的交点编号对应的为日照单元。
[0030]S66：判断所述交点间距是否大于控制值，若是，确定所述主交点编号对应的单元为日照单元，否则，确定满足交点间距小于控制值的所述主交点编号和所述各次交点编号对应的单元中质心坐标Z值最大的单元为日照单元；
[0031]S67：重复步骤S64
‑
S66，直到获得所述目标时刻的交点集合中的最后一个交点作为主交点时的日照单元编号，并剔除整个目标时刻中重复的日照单元编号后进入步骤S68；
[0032]S68：将下一时刻作为目标时刻并返回步骤S64，直到遍历所有时刻，得到所述各时刻的日照单元。
[0033]可选择地，所述步骤S62中，所述点法式方程为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间钢结构的日照阴影分布建模方法，其特征在于，所述空间钢结构的日照阴影分布建模方法包括：S1：获取白天各时刻真实的太阳相关信息；S2：根据所述真实的太阳相关信息，利用ANSYS软件，计算得到各时刻太阳的三维点坐标以及施加太阳辐射热流的表面效应单元的太阳入射角；S3：根据所述太阳入射角，筛选空间钢结构中未考虑杆件相互遮挡的受光照面单元；S4：获取所述受光照面单元的编号及其质心坐标；S5：利用ANSYS软件的宏文件功能，将各时刻太阳三维点坐标和所述受光照面单元的编号及其质心坐标导为第一.txt文件；S6：根据所述第一.txt文件，利用Python软件，生成各时刻的日照单元编号；S7：将所述各时刻的日照单元编号导为第二.txt文件；S8：利用ANSYS软件读取所述第二.txt文件，以生成空间钢结构的日照阴影分布模型。2.根据权利要求1所述的空间钢结构的日照阴影分布建模方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述真实的太阳相关信息包括真实的太阳高度角和真实的太阳方位角。3.根据权利要求2所述的空间钢结构的日照阴影分布建模方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述太阳入射角为：其中，cos_e(enum,x)为编号为enum的面单元法线与x轴夹角的余弦；cos_s(stime,x)为时间为stime时的太阳入射光线与x轴的夹角的余弦；cos_e(enum,y)为编号为enum的面单元法线与y轴夹角的余弦；cos_s(stime,y)为时间为stime时的太阳入射光线与y轴的夹角的余弦；cos_e(enum,z)为编号为enum的面单元法线与z轴夹角的余弦；cos_s(stime,z)为时间为stime时的太阳入射光线与z轴的夹角的余弦。4.根据权利要求1至3任一项所述的空间钢结构的日照阴影分布建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括：利用太阳入射角的余弦大于零，筛选空间钢结构中未考虑杆件相互遮挡的受光照面单元。5.根据权利要求1所述的空间钢结构的日照阴影分布建模方法，其特征在于，所述步骤S6包括：S61：根据所述第一.txt文件中各时刻太阳三维点坐标，利用Python软件，计算各时刻太阳三维点坐标过原点的太阳入射光线方向向量；S62：利用点法式方程确定各时刻过原点且与所述太阳入射光线方向向量垂直的平面方程并利用点向式方程确定各时刻的太阳入射光线方向向量过各单元质心坐标的直线方程；S63：分别确定与各时刻的直线方程和平面方程的交点，交点编号与其对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：古松，吕勇康，顾颖，孔超，任松波，杨莉琼，林晓宇，张崧，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：