小垂度薄膜屋盖的气弹动力耦合作用方程

薄膜结构自重轻、刚度小、自振频率低,对风的作用非常敏感,一般认为在风荷载作用下会产生较大的位移和加速度反应,并可能引起局部流场的变化甚至诱发气弹失稳,所以应在考虑风与结构的耦合作用基础上分析结构的风振反应。研究了风与薄膜屋盖的耦合作用方程。从弹性薄壳的无矩理论出发,考虑薄膜结构的几何非线性,并引入扁壳理论的假定建立了小垂度薄膜屋盖的平衡方程和相容方程。然后采用流体力学中的势流理论并参考空气动力学中的薄翼型理论确定了作用于封闭薄膜屋盖外侧的动气压,从而建立了风与薄膜屋盖的动力耦合作用方程。为下一步的研究提供了解析模型。     

封闭薄膜屋盖的风致气动力失稳分析

根据大挠度薄壳的无矩理论,建立了薄膜屋盖的控制方程.采用势流理论并结合空气动力学中的薄翼型理论推导了作用于封闭式薄膜屋盖表面的气动力,从而建立风与薄膜屋盖的动力耦合作用控制方程.分别得到了二维和三维薄膜屋盖模型的无量纲特征方程,并利用单模态法求解屋盖的临界发散失稳风速和双模态法求解屋盖的临界颤振失稳风速.通过二维模型和三维模型的结果分析和对比,得到了屋盖气动力失稳的临界风速及其相应的规律.     

薄膜结构气弹动力稳定性研究

将扁壳的无矩理论和流体的理想势流理论结合起来对薄膜结构的气弹动力稳定性进行了研究,提出了结构失稳的判别准则,确定了结构失稳临界风速。首先应用扁壳的无矩理论建立了薄膜结构的动力平衡方程。然后假设来流为均匀的理想势流,考虑流固耦合作用,对风向沿结构拱向和垂向时分别采用不同的气弹模型确定了作用于薄膜表面的气动力,得到了两种情况下薄膜结构的气弹动力耦合作用方程。利用Bubnov-Galerkin方法将此耦合作用方程转化为一常系数二阶微分方程,并根据Routh-Hurwitz稳定性准则确定了薄膜的失稳临界风速。最后通过对临界风速的影响因素进行分析,得到了一些重要结论,并提出了防止薄膜结构气弹失稳的一些基本措施。     

均匀流场中小曲率薄膜的气动稳定性分析

对小曲率薄膜在均匀流场中的动力稳定性进行了分析。首先利用线性薄型机翼理论,将空气假定为二维的理想势流,用行波模拟薄膜振动形态推导了薄膜振动的特征方程,从而讨论了薄膜的失稳类型和失稳阶段。为了确定薄膜一阶失稳时的风速,进一步用涡旋面代替风与薄膜表面之间的微小厚度边界层来推导薄膜表面所受的气动力表达式;同时用有限形式的正弦波近似模拟薄膜一阶失稳构型,通过能量守恒原理和牛顿法迭代法求解薄膜振动的最大幅值;根据气动力与薄膜自重和惯性力之间的动力平衡关系获得了薄膜一阶失稳时的临界风速。     

叠层板状结构流致振动特性研究

将管道理论引入叠层板状结构的流致振动研究,在势流理论下,基于输流管道的哈密顿原理,建立叠层板状结构的流致振动模型,用微分求积法对模型的运动方程进行求解,研究系统零流速状态的固有频率和模态,运用特征值分析与响应分析结合的方法,确定系统失稳的临界流速与形式。结果表明,悬臂支承模型发生颤振失稳;两端固支模型发生屈曲失稳。     

索穹顶结构风振响应时程分析

采用改进的AR法和相应自编程序,模拟出索穹顶屋盖结构各节点的脉动风速时程,将流固耦合作用引入结构的动力平衡方程,进行了结构风振响应时程分析。通过结构典型节点处的位移响应和关键构件的内力响应计算结果的分析,给出结构的位移风振系数和内力风振系数,并与结构风振响应频域分析结果加以对比,得到一些有意义的结果和结论。     

悬臂叠层板状结构稳定性研究

将管道理论引入叠层板状结构的流致振动研究,在势流理论下,基于输流管道的哈密顿原理,建立悬臂支承叠层板状结构的流致振动模型,用微分求积法对模型的运动方程进行离散,运用特征值分析与响应分析结合的方法,确定系统失稳的临界流速与形式,并研究不同参数对稳定性的影响。结果表明,悬臂叠层板发生颤振失稳,间隙,管/液质量比,间隙和流速非对称参数对颤振流速有一定的影响,但在该研究参数范围内对系统失稳形式没有影响。     

大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载

为解决大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中存在的多个响应目标等效问题,对多目标等效静力风荷载分析方法进行了研究。根据结构风振响应特性,基于LRC法基本原理推导了构造大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载的基本分量,包括背景分量、共振分量及其二者的耦合项分量,该基本分量能够实现与风振响应各分量的完全对应。在此基础上,建立了多目标等效静力风荷载的求解方程,同时为限制奇异荷载的出现,引入了边界条件方程,据此求解得到了能够满足大跨屋盖结构多个响应目标的等效静力风荷载。为提高精度,还根据目标响应与静力响应间误差对求得的多目标等效静力风荷载进行修正。最后,采用所提方法对国家体育场大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载分析计算表明,所得等效静力风荷载作用下结构静力响应与多目标响应吻合较好,验证了所提方法的有效性。     

轴向流作用下柔性简支梁静态与动态稳定性分析

对于一个轴向流作用下的柔性简支梁流固耦合模型,基于一定的假设,建立了系统的流固耦合非线性动力学方程,并运用参数无量纲化、假设模态、高阶模态截断等方法导出了有限自由度无量纲状态空间方程。根据静态分岔理论,对系统线性化扰动方程的Jacobi系数矩阵特征多项式进行了分析,理论上求得系统发生静态分岔时的临界流速。数值计算结果表明当流速大于临界流速时,系统发生静态失稳,在外界扰动作用下,梁随机地向上或向下弯曲。基于动态Hopf分岔理论与相关的实系数多项式特征根代数判据,证明了系统不会出现振颤失稳。     

具有轴向流道的柔性悬臂梁亚临界流速范围内冲击振动响应研究

针对冲击载荷作用下具有轴向流道的柔性悬臂梁流固耦合问题,建立了系统的耦合动力学方程。基于动态Hopf 分岔判定定理,对该系统线性化扰动方程的Jacobi 系数矩阵特征多项式进行了计算,在理论上确定了系统振颤失稳时的临界流速,并通过数值计算模拟了系统的颤振失稳现象。分析了亚临界流速范围内,冲击载荷作用下柔性梁的衰减振动响应,结果显示流体流速V的变化对衰减振动的幅值、持续时间和频率都有显著的影响,在0相似文献   

边界元法在膜结构与风耦合研究中的应用

膜结构是一种风敏感性结构,结构与风的耦合作用不容忽视。本文将膜结构所处的风场简化为不可压缩势流,运用边界元法求解绕流后作用在膜结构上的风压,然后计算在风压作用下膜结构产生的变形,修正膜结构形状,再次求解变形后膜结构周围流场及作用在其上的风压,这样依次迭代,直至得到收敛的解。这种方法的有效性通过典型算例和其他方法计算结果的对比得到验证。变换膜结构的矢跨比、初始预张力及风场平均风速,研究参数变化对流固耦合的影响,为膜结构抗风研究与工程实践提供参考。     

大跨度平屋面的风振响应及风振系数

本文在有限元分析的基础上建立了大跨度平屋面结构在风荷载作用下的风振响应谱分析方法,并采用Davenport谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数计算了屋面的风振响应及风振系数。文中还深入探讨了屋面刚度、来流风速及风向等参数对大跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响。计算表明:① 大跨度平屋面的竖向风振响应主要是由第一振型所支配,高阶振型对屋面板竖向风振响应的影响很小;② 屋面刚度及来流风速对大跨度平屋面的竖向风振响应影响比较大,但对位移风振系数的影响不太明显;③ 在工程设计中,建议采用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载。     

突风作用下圆柱结构气动特性的试验研究

突风(平均风速随时间快速变化)作用在结构或构件上时,结构的气动力和振动状态与平稳风作用下的结果有何不同,是值得研究的问题。在风洞实验室,利用电压控制的方法,实现了具有一定风速加速度的突升和突降的风速变化过程,测试了圆柱结构在突变风速平稳风速作用下的气动力和振动状态,试验结果表明：当突升风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数和在平稳风速下的结果一致;当突降风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数虽然在大小上和在平稳风速下的结果一致,但是其对应的临界雷诺数范围比平稳风速对应的临界雷诺数范围,整体向小的方向上偏移了一定的量值。当不涉及到临界雷诺数时,本文的突变风速不会激发模型的大幅振动;当风速升至或降至临界雷诺数区域时,模型将发生稳定的大幅振动;当风速经过临界雷诺数时,在临界雷诺数对应的风速下发生大幅振动,随着风速的升高或降低使得对应的雷诺数离开临界区域时,振动逐渐消失     

马鞍屋盖表面锥形涡流动模型研究

该文基于大跨平屋盖和马鞍屋盖表面锥形涡流动显示试验,对现有的兰金涡模型进行改进,在其涡核区与势流区之间添加过渡区,从而建立了简化的二维锥形涡流动模型,给出了旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型,分析了旋涡强度的影响因素即为旋涡内部流线曲率和旋涡流速:旋涡内部流线曲率越大,旋涡转速越快,旋涡强度越大。基于流动显示试验和测压试验所得平屋盖以及马鞍屋盖表面各旋涡参数之比,以平屋盖表面锥形涡为基准,量化了各风向下马鞍屋盖表面的锥形涡强度。通过加入考虑旋涡效应对传统准定常理论进行修正,给出了锥形涡涡核吸力(均值、峰值)的计算公式,并将计算值与马鞍屋盖刚性模型风洞测压试验数据进行对比,验证了锥形涡流动模型对于预测马鞍表面锥形涡涡核吸力的有效性。     

基于非概率集合理论的屋面板风致疲劳寿命估计

现有疲劳分析中,通常将结构材料参数、几何尺寸等定义为确定性参数;实际结构中,相关参数均为有界但不确定变量,如按确定性参数估计结构的疲劳寿命是偏于不安全的。该文将结构体系中不确定参数定义为区间变量,在线性疲劳损伤累积理论基础上,提出一种仅需一次动力响应分析即可计算不确定结构在动力荷载作用下疲劳损伤的新方法。该方法将金属屋面板弹性模量和屋面板板厚等由于施工误差等因素引起的不确定参数定义为区间变量,通过摄动法和区间动力响应分析,计算屋面板在脉动风荷载作用下的应力响应区间;结合屋面板材料的S-N曲线,采用修正Miner疲劳线性累积准则对屋面板的疲劳损伤和寿命区间进行估计。结果表明:该文方法可有效计算考虑结构参数不确定条件下金属屋面板的疲劳损伤和寿命区间;与顶点法比较,该文方法仅需一次动力响应分析就可计算金属屋面板风致疲劳损伤和寿命区间。     

风与结构的耦合作用及风振响应分析

在目前的风振响应计算中,往往不考虑风与结构的耦合作用。但对于超高层建筑、高耸塔桅结构,由于基频较低,风与结构的耦合作用不可忽略。本文基于准定常假定推论出风与结构的耦合作用实质上就是气动阻尼效应,因此只要在阻尼常数中引入气动阻尼,就可建立考虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法。文中采用拟单自由度法,确定了风与结构耦合作用所产生的气动阻尼。并对一工程实例进行了风振响应计算,比较了采用Davenport谱和Kaimal谱对计算结果的差异性,与风洞试验结果相对比表明,采用Kaimal谱并考虑风与结构的耦合作用所得计算结果能与风洞试验结果吻合较好。