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膜結構加工廠對大跨度膜結構風壓的模擬技術
- 2019-11-07-

  膜結構加工廠生產的大跨度膜結構是一種新型的大跨屋蓋結構,具有自重輕、自振頻率低而密集等特點,設計時,外荷載和自重之比通常比傳統結構大很多倍,荷載的微小變化可能對結構的變形產生很大的影響。因此,對于作用在膜結構上的荷載大小及其分布需要仔細考慮,格外是風荷載這樣的低頻動荷載。

  但是,由于其復雜的曲面外形,導致從現有國內外規范中通常不能得到所需的風荷載值。所以,如何確認大跨度膜屋蓋結構的風壓分布,以便進一步研究風對結構的作用顯得越來越重要。

  目前,膜結構加工廠確認大跨度復雜體型膜結構平均風荷載分布的方法主要有兩類:風洞試驗和計算流體動力學(CFD)數值模擬技術。

  風洞試驗技術已經比較成熟,但大多數風洞試驗采用剛性模型,即不考慮由于膜面變形引起的風壓重分布,對變形敏感的膜結構來說,剛性模型試驗不是較適合的,卻是目前唯一有價值的方法。因為雖然采用氣彈動力模型越加適合模擬真實結構的反應,然而這種試驗涉及到大量的相似參數和復雜的觀測技術,模型通常難于加工,而且不能得出一致結論,國內外在這方面還處于研究階段。

  由于風洞試驗耗時較長,往往不能在結構細部設計之前提供所需結果,如果風洞試驗前估算的風荷載過于危險或者過于保守,都會對結構的設計產生負面影響。而且設計階段結構的形狀經常會發生變化,風洞試驗模型應盡量與終端設計方案吻合,這對工程設計提出了較大的挑戰。因此,CFD技術在風工程中的應用為風荷載研究提供了一個新的研究手段,其具有設計周期短、成本低、較精確預測設計階段風荷載等突出優勢,有著相當廣闊的發展前景。

  膜結構加工廠人CFD模擬方法風荷載數值模擬方法的理論核心是計算流體動力學(CFD),它是以風流動的連續方程和N-S方程為基本方程,對方程進行離散化處理,用數值方法獲得風場的離散解。大量研究表明,對于建筑結構這類鈍體結構繞流場問題,如果采用標準的k-紊流模型求解N-S方程,模擬效果較差。而大渦模擬對網格要求較高,計算量較大。所以,本文基于Reynolds時均N-S方程,采用剪切應力輸送(SST)k-模型進行數值風洞模擬,利用有限體積法和SIMPLE壓力校正算法來實現非線性離散化方程的解耦和迭代求解。

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