异形椭球网壳的风压数值模拟与静力特性分析

论文摘要

异形椭球网壳是一种根据仿生学原理提出的结构形式,该结构外形独特新颖,采用了球面网壳的网格划分技术,但是其力学性能不同于普通的球面网壳。本文以异形椭球网壳为研究对象,分析了其表面的风荷载与静力特性。 风荷载对于建筑物来说是一项非常重要的荷载,有时候可能是控制荷载。数值风洞技术是以计算流体力学为基础进行风场研究的有效方法。本文首先介绍了计算流体力学基本思想与分析过程,应用标准κ-ε与可实现κ-ε湍流模型对异形椭球网壳在不同角度风作用下结构表面的风压分布进行数值模拟,实现了速度边界条件与湍流强度的模拟,分析了风压的分布规律并得到风压系数,比较了两种不同湍流模型的结果,为进一步的风场与结构受力分析提供依据。 对于单层异形椭球网壳而言,稳定性尤为重要,本文利用非线性有限元方法对异形椭球网壳结构的几何非线性稳定屈曲问题进行了详尽的分析,分析了结构跨度、杆件截面、初始缺陷、荷载不利位置以及支承条件对结构稳定性的影响,得出了对工程设计有参考价值的结论。 本文分析了网壳结构与下部结构的协同作用,分析了由于上部结构的不对称对下部结构的影响,提出了设计中需要注意的问题。 论文最后对所研究工作进行了总结,得出了有意义的结论,并指出了进一步研究需解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 网壳结构的发展概况
• 1.2 网壳结构类型和形式
• 1.3 网壳稳定性分析方法
• 1.4 异形椭球网壳结构与风压数值模拟
• 1.5 课题目的和意义
• 第2章 风荷载模拟的CFD基本原理
• 2.1 计算流体力学求解问题的基本思想
• 2.2 计算流体力学基本方程
• 2.2.1 连续性方程和运动方程
• 2.2.2 纳维尔—斯托克斯（Navier-stokes）方程
• 2.3 湍流及数值模拟方法概述
• 2.3.1 湍流现象概述
• 2.3.2 湍流的数值模拟方法
• 2.4 湍流的REYNOLDS时均方程
• 2.4.1 湍流物理量的时均值定义
• 2.4.2 湍流连续性方程和N-S方程
• 2.5 湍流模型
• 2.5.1 零方程模型
• 2.5.2 一方程模型
• 2.5.3 两方程模型
• 2.6 近壁面处理
• 2.7 数值计算方法
• 2.7.1 计算区域离散
• 2.7.2 代数方程组求解中的困难与解决方法
• 2.7.3 代数方程组的求解方法
• 第3章 异形椭球网壳风压数值模拟
• 3.1 近地面风的特性
• 3.1.1 天气边界层与平均风剖面
• 3.1.2 湍流强度分布的描述
• 3.2 异形椭球网壳风压数值模拟
• 3.2.1 异形椭球网壳模型及数值风洞的建立
• 3.2.2 风压等值线图
• 3.2.3 风压系数计算
• 3.2.4 异形与非异形椭球风压分布比较
• 3.2.5 建筑周围流场分布及分析
• 3.2.6 标准k-ε模型与可实现k-ε模型的比较
• 3.3 本章小结
• 第4章 几何非线性力学模型求解及全过程跟踪分析
• 4.1 几何非线性的有限元法及T.L描述
• 4.2 空间梁单元及其几何非线性切线刚度矩阵
• 4.3 结构特征屈曲求解方法
• 4.4 非线性方程的求解
• 4.5 全过程路径跟踪的计算方法及迭代策略
• 4.5.1 自动加载策略
• 4.5.2 送代策略
• 4.5.3 收敛准则
• 第5章 异形椭球网壳静力性能分析
• 5.1 计算模型及分析方案
• 5.2 异形椭球网壳的特征屈曲
• 5.3 全过程分析
• 5.4 不同参数变化对极限荷载的影响
• 5.4.1 跨度、杆件刚度的影响
• 5.4.2 初始缺陷的影响
• 5.4.3 不对称荷载的影响
• 5.4.4 支承条件的影响
• 5.5 局部加强对结构稳定性的影响
• 5.6 网壳形体不对称对下部结构的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 今后的工作与展望
• 参考文献
• 致谢