风与结构交互作用理论、方法研究.pdfVIP

第九届全国现代结构工程学术研讨会 风与结构交互作用理论、方法研究 苏波1 袁行飞2 钱若军1 1同济大学土木工程学院，上海200092 2浙江大学土木工程学院，杭州310027 提要：构建了风与结构交互作用分析理论体系。交互求解分可分为四个部分：流体域求解、固体域求解、流体域有限元网 格运动以及流固接触界面上的数据传输，并对每一部分的求解给出了相应的计算公式。对对交互作用的关键环节， 接触界面上数据传输的问题作了研究，算例证明了方法的准确性。。 关键词：流固交互作用，数据传递，有限元，接触界面 一、风与结构耦合作用研究必要性 随着科学技术的日益发展以及大量现代材料、施工技术的涌现，出现许多新的结构。其中特别引入注 目的是高层建筑、大跨度桥梁、近海结构等，在设计特点上，常常是非常具有柔性、阻尼小且重量轻，因 而对于风的作用更加敏感。多领域得到较好的应用。当前，风浪、风雨和风雪都已成为导致空间结构、高 层、高耸建筑和桥梁等发生重大灾变的主要原因。 风与结构是相互作用的，在风作用下，结构特别是柔性结构 如膜结构等 的响应如位移、速度和加 速度等对周围风场会产生较大影响，而风场的改变会进一步改变作用在结构表面上的流体力大小，从而形 成风与结构的交互作用。因此在结构设计时，仅仅把风作为一种荷载，而忽略结构对风的耦合作用，将会 导致与事实之间较大的差别。因此有必要基于流固耦合理论的分析，从物理本质上揭示风和结构的耦合作 用规律‘¨。 风与结构交互求解方法 风与结构的交互作用分析应需要在统一场里面要建立两相耦合的控制方程，但这需要从物理层面上对 流体、固体作更低层的研究。事实上可以从耦合系统方程出发对之进行简化分析，即采用交互求解的方法。 如图1所示，进行流固交互作用分析时，耦合系统物理域由位于流固接触界面两侧的流体域和固体域 构成。因此交互求解可分为四个部分：流体域求解、固体域求解、流体域动态网格的更新以及流固接触界 面上的数据传输。 流体域 一一一一…～一～～～～～ f 流固接触界面 一一一L一一…～+～～一 固体域 图1流体域、固体域及其流固接触界面 工业建筑2009增刊 467 第九届全国现代结构工程学术研讨会 流体域的有限元求解 采用有限元法求解流体动力方程。考虑流固接触边界的变形，流体采用基于ALE描述的CBS算法。 在每个真是时间步上根据如下三个方程进行虚拟迭代计算。 1 第一步有限元格式 弘M 1 2 第二步有限元格式 2 At2q皖‘Hpt+血卸。 △玎‘Gp％+01GP△％一△f瞑。HPP。一‘矗】 3 第三步有限元格式 3 件出△％：件垃△吃一M-1缸l铲t见+矿址卸。 +等‘K，饥l 式中：件址△吃为t+At时刻节点辅助速度增量向量；‘％为f时刻节点速度列向量； ‘M，为f时刻质量矩阵；‘C，为f时刻对流矩阵；‘K，为f时刻扩散矩阵；k为f时刻ALE网格点速度列 向量；‘K，为f时刻稳定矩阵：‘f为t时刻的等效节点力向量；V也为t时刻ALE网格点对流速度列向 量： ％ E—k