一种基于松耦合技术的索膜结构抗风设计方法技术

本发明专利技术提出一种基于松耦合技术的索膜结构抗风设计方法，包括下列步骤：步骤一：依据实际材料的物理性质和结构的初始预应力，通过找形方法建立索膜结构有限元模型；步骤二：根据步骤一中的找形结果和建筑周围环境，建立索膜结构流体计算模型；步骤三：利用风洞试验或实测数据或理论模拟的风速时程数据，作为流体计算的入口边界条件；步骤四：利用流固耦合协同平台进行膜结构抗风设计。本发明专利技术解决了索膜结构流固耦合传统计算中的收敛性问题，提高了计算速度。不但计算准确性相比以往简化方法和单边耦合方法有了显著的提高，而且计算速度非常快，使这项技术从科学研究走向实际应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑行业索膜结构抗风分析与设计领域，且特别涉及。
技术介绍
流固耦合现象在斜拉桥、超高层建筑、塔桅结构、输电线、索膜结构等土木工程领域扮演着相当重要的角色(M. Gluck,M. Breuer,F. Durst,A. Halfmann,E. Rank. Computation of wind-induced vibrations of flexible shells and membranous structures. Journal of Fluids and Structures 17(2003)739-765.)。过去由于缺乏对流固耦合现象的认识，曾发生过1879年苏格兰Tay大桥的垮塌，1948年西雅图Tacoma大桥风振倒塌，以及1965英格兰三座冷却塔倒塌等重大灾难(M.Gluck，Μ. Breuer，F. Durst, A. Halfmann, Ε. Rank. Computation of fluid-structure interaction on lightweight structures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89(2001) 1351-1368.)。如今，一方面诸如弛振、颤振等风致结构气动现象已为人们所熟知。 另一方面由于大量轻盈结构的使用(例如亚特兰大七万人体育场屋顶采用膜结构，同时结构跨度达到240米)，建筑对风的响应越来越敏感。为了准确获得具有外形复杂或是受外界风场影响显著的建筑结构的风荷载，工程界已经进行了大量费用高昂的风洞实验或是采用半经验方法对流固耦合问题进行分析计算。此外，工程界已经可以通过使用相对成熟的有限元软件对结构在风荷载下的应力、变形等效应进行精确计算。同时，也能够通过使用计算流体动力学软件对结构所受的风荷载进行准确估计。然而，对于进行流固耦合计算的方法和工程应用却少之又少。其主要原因有(1)采用简单的松耦合方法会在膜结构上产生过大的加速度而导致求解不稳定(野村卓志·神明正人，基于ALE有限要素法的膜结构流固耦合分析，应用力学论文集.Vol. 1， pp :241-251,1998)。(2)复杂的插值方法计算量巨大，缺乏工程可操作性(孙晓颖，薄膜结构风振响应中的流固耦合效应研究，哈尔滨工业大学博士学位论文，2007年1月)。(3) 不同软件间缺乏有效的消息传递与统一的数据传递接口。本方法针对以上问题，提出了荷载分步修正技术，基于三角形重心坐标系的网格变形插值方法，以及利用第三方文件实现信息传递等技术，使基于松耦合的索膜结构抗风设计从理论变成现实。在此基础上，通过对世博轴索膜结构的实例分析，验证了上述方法的有效性和准确性。
技术实现思路
如
技术介绍
所述，目前索膜结构工程无法使用先进的流固耦合技术，究其原因主要有程序内部性能、数据外部处理与通信、计算效率等因素。因此，本专利技术提出，其目的就是要通过解决以上问题，为索膜结构的抗风设计提供一种准确、高效的实用方法。为了达到上述目的，本专利技术提出， 包括下列步骤步骤一依据实际材料的物理性质和结构的初始预应力，通过找形方法建立索膜结构有限元模型；步骤二 根据步骤一中的找形结果和建筑周围环境，建立索膜结构流体计算模型；步骤三利用风洞试验或实测数据或理论模拟的风速时程数据，作为流体计算的入口边界条件；步骤四利用流固耦合协同平台进行膜结构抗风设计。进一步的，所述步骤一中找形方法为采用分步计数、逐步刚度逼近的方法建立索膜结构有限元模型。进一步的，所述步骤三中数值风洞模型的建立仅对有限元模型所对应的膜面设置动网格属性，其余部分保持不动。进一步的，所述步骤三中流体计算的非稳态计算采用LES模拟、隐式计算。进一步的，所述有限元模型采用稀疏网格，所述流体计算模型采用稠密网格。进一步的，所述步骤四中利用流固耦合协同平台进行膜结构抗风设计为考虑流固耦合作用进行紊流计算膜面的风振响应。本专利技术通过(1)在1个时间步上进行流体及结构间反复交替、不断修正求解，解决以往索膜结构流固耦合计算中的收敛性问题。(2)采用三角形重心坐标系进行节点定位， 大幅提高数值计算的速度。(3)通过数据通讯管理和实时监控程序，实现索膜结构抗风自动化设计。本方法可以自动实现索膜结构抗设计的动力时程计算，可以考虑索膜结构风振响应中的气动阻尼、附加质量、气承刚度等机理问题，使计算结果更符合实际情况。目前，传统的流固耦合计算仅停留在小规模的科学研究，本方法提供的自动化技术手段和高效的算法，使这项技术在实际工程中的应用成为可能，并能改变过去只能采用简化手段进行索膜结构抗风设计的现象。本专利技术解决了索膜结构流固耦合传统计算中的收敛性问题，提高了计算速度。不但计算准确性相比以往简化方法和单边耦合方法有了显著的提高，而且计算速度非常快， 使这项技术从科学研究走向实际应用。附图说明图1所示为本专利技术较佳实施例的基于松耦合技术的索膜结构抗风设计方法流程图。图加所示为传统松耦合算法。图2b所示为本专利技术荷载步修正算法。图3所示为重心坐标计算原理图。图4所示为变形跟踪系统实际使用效果。图5所示为流固耦合技术方案流程。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。请参考图1，图1所示为本专利技术较佳实施例的基于松耦合技术的索膜结构抗风设计方法流程图。本专利技术提出，包括下列步骤步骤一 SlOO 依据实际材料的物理性质和结构的初始预应力，通过找形方法建立索膜结构有限元模型；步骤二 S200 根据步骤一中的找形结果和建筑周围环境，建立索膜结构流体计算模型；步骤三S300 利用风洞试验或实测数据或理论模拟的风速时程数据，作为流体计算的入口边界条件；步骤四S400 利用流固耦合协同平台进行膜结构抗风设计。根据本专利技术较佳实施例，所述步骤一 SlOO中找形方法为采用分步计数、逐步刚度逼近的方法建立索膜结构有限元模型，所述步骤三S300中数值风洞模型的建立仅对有限元模型所对应的膜面设置动网格属性，其余部分保持不动，所述步骤三S300中流体计算的非稳态计算采用LES模拟、隐式计算，所述有限元模型采用稀疏网格，所述流体计算模型采用稠密网格，所述步骤四S400中利用流固耦合协同平台进行膜结构抗风设计为考虑流固耦合作用进行紊流计算膜面的风振响应。步骤四S400的协同平台中包含若干程序，这些程序因使用软件的不同而异，但其核心思路是相同的。(1)收敛性问题的解决传统的松耦合在一个时间步内仅需进行一个循环的流体计算及结构动力响应计算，这种方法对于像空气与建筑物这样相对质量比大的情况有效。但是，当由建筑物变形产生的附加空气质量不能忽略时，以上方法会由于在膜上生成过大加速度从而导致求解不稳定。图加所示为传统松耦合算法。图中Fi为i时刻结构所受荷载，Fi+1为下一时刻i+1 时刻需要加载的量。按照传统算法，及时荷载步被细分，如图中所示分为η个荷载步，每次增加dF/n的量，最终和一次加载的效果是一样的。图2b为改进方法，即荷载步被细分，但 Fw也随时进行更新，从第二个荷载子步开始，每次增量dF/n变成dF’ /本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于松耦合技术的索膜结构抗风设计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：依据实际材料的物理性质和结构的初始预应力，通过找形方法建立索膜结构有限元模型；步骤二：根据步骤一中的找形结果和建筑周围环境，建立索膜结构流体计算模型；步骤三：利用风洞试验或实测数据或理论模拟的风速时程数据，作为流体计算的入口边界条件；步骤四：利用流固耦合协同平台进行膜结构抗风设计。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢旦，杨联萍，李承铭，
申请(专利权)人：上海现代建筑设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：31