薄膜结构的动力分析和风致气动力失稳研究

论文摘要

随着科学技术的发展和施工工艺的进步,各种外形美观、结构新颖的大跨度柔性薄膜结构被广泛应用于体育馆、飞机库、展览馆等公共建筑。这类结构的一个显著特点是,索和膜都不具有弯曲刚度,在外荷载的作用下结构变形明显,而且刚度与变形相关,呈现出很强的几何非线性特征。此外,薄膜质量非常轻,这些特点决定了薄膜结构对风荷载的作用十分敏感,空气—结构的耦合作用对结构基本动力特性的影响相当显著。与此同时,国内外关于薄膜结构风致动力响应问题的研究还较少,对于这类结构风致气动力失稳方面的研究更是十分薄弱。因此,深入研究空气气动力影响下的薄膜结构动力分析及其风致气动力稳定性分析,具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 本文采用简化气动力力学模型来描述空气气动力,通过引入附加空气质量、气承刚度和空气辐射阻尼等概念来模拟附加气动力与结构的相互作用,再通过理论推导和数值算例对气动力各项因素的变化规律以及其对结构动力特性的影响规律进行系统研究,从而使空气与结构的相互作用进一步量化。 基于有限元方法,本文进一步采用通用的有限元分析软件的3D实体声音单元来模拟空气对结构的作用。空气被作为一种声音介质,其与振动薄膜的相互作用通过声压力作用在薄膜表面。对有限空气域设定适当的边界条件以模拟空气对结构的附加气动力作用。与以往试验研究结果进行对比,证明了该方法的有效性,同时应用此方法研究了薄膜结构在空气中的动力特性,以及空气气动力对薄膜结构动力特性的影响规律。 风致动力响应分析是薄膜结构抗风设计中的一个关键问题,其中风荷载的获得以及如何考虑结构周围流场与结构的相互作用是其中的难点问题。本文基于AR法针对一开敞鞍型薄膜结构进行了风荷载的模拟,并通过建立空气与结构的耦合有限元模型,进行了风振响应时程分析。此外,由于试验技术和条件的限制,目前很难通过气弹模型风洞试验获得结构的风荷载时程。因而为了寻求一种理论上的突破,本文采用一封闭平屋盖的刚性模型风洞测压试验数据,建立薄膜屋盖与

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 薄膜结构的发展概况
• 1.2 膜结构在我国的应用现状
• 1.3 薄膜结构的风致动力响应
• 1.3.1 膜结构风致动力响应的特点
• 1.3.2 膜结构动力分析中的关键理论问题
• 1.4 空气动力学的基本理论和研究成果
• 1.4.1 边界层分离、自由剪切层及旋涡的形成
• 1.4.2 风工程中的气动不稳定现象
• 1.4.3 流固耦合系统非定常气动力与结构抗风计算
• 1.5 薄膜结构风致动力响应研究进展
• 1.5.1 国外研究进展概述
• 1.5.2 国内研究进展概述
• 1.6 本文研究的主要工作
• 参考文献
• 第2章 简化空气气动力模型及其变化规律
• 2.1 前言
• 2.2 简化空气气动力模型
• 2.3 各项气动力因素的研究方法
• 2.3.1 附加质量的研究
• 2.3.2 气承刚度的研究
• 2.3.3 辐射阻尼的研究
• 2.4 附加质量的推导
• 2.5 空气辐射阻尼的推导
• 2.6 气承刚度的推导
• 2.7 气动影响规律分析
• 2.7.1 附加质量对结构频率的影响
• 2.7.2 辐射阻尼对结构响应的影响
• 2.7.3 气承刚度对结构频率的影响
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第3章 考虑空气影响的薄膜结构动力特性分析
• 3.1 前言
• 3.2 膜结构的有限元分析理论
• 3.2.1 薄膜非线性刚度矩阵
• 3.2.2 索单元的非线性刚度矩阵
• 3.2.3 等效节点荷载
• 3.3 空气气动力
• 3.4 薄膜在空气中的振动
• 3.4.1 包括空气域的有限元模型
• 3.4.2 空气影响范围的取定
• 3.5 有限元方法有效性的验证
• 3.6 算例分析
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第4章 薄膜结构非线性风致动力响应分析
• 4.1 前言
• 4.2 风荷载的模拟
• 4.3 风振响应分析方法
• 4.4 开敞薄膜结构的风致动力响应分析
• 4.4.1 计算模型及风荷载
• 4.4.2 计算结果分析
• 4.5 封闭薄膜屋盖的风振响应分析
• 4.5.1 薄膜屋盖的刚性模型及分析模型
• 4.5.2 风荷载及分析过程
• 4.5.3 响应结果分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 封闭薄膜屋盖的风致气动力失稳分析
• 5.1 前言
• 5.2 薄膜屋盖的控制方程
• 5.2.1 二维薄膜屋盖模型
• 5.5.2 三维薄膜屋盖模型
• 5.3 二维模型气动稳定分析
• 5.3.1 特征方程推导
• 5.3.2 单模态近似分析
• 5.3.3 双模态耦合分析
• 5.4 三维模型气动稳定分析
• 5.4.1 特征方程推导
• 5.4.2 单模态求解
• 5.4.3 双模态耦合求解
• 5.5 试验对比分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 开敞薄膜的风致气动力稳定分析
• 6.1 前言
• 6.2 动态稳定性分析
• 6.3 试验研究结果
• 6.4 薄膜表面的流体速度势
• 6.5 薄膜表面所受的气动压力
• 6.6 动力平衡方程及其求解
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文