风与膜结构流固耦合作用的强耦合方法研究

目前国内外膜结构抗风设计理论尚不成熟。风与膜结构的流固耦合作用是膜结构抗风设计中的难点问题，流固耦合作用研究的滞后已成为制约膜结构抗风理论完善和发展的主要因素。目前流固耦合问题研究多采用强耦合分区法或弱耦合分区法，因流体网格和结构网格划分不一致，致交界面处条件不能精确满足，影响结果准确性。且不论单个求解器准确性多高，结果只达到一阶准确性且易发散。为此本项目拟采用强耦合整体方法研究风与膜结构的流固耦合作用。拟引入伪实体有限元模型处理流体域变形，统一划分流固耦合系统网格，根据单元变形原因提出一种网格更新方法；通过流体方程、结构方程及伪实体模型方程的弱隐形式实现系统的强耦和，推导出耦合系统的一般整体式方程；编制强耦合整体方法程序MWISP，应用于实际膜结构的风振分析。将计算结果与气弹风洞试验结果对比，验证结果并对比参数。研究成果可为膜结构抗风设计提供更可靠的理论依据，为工程实践提供简便计算工具。

目前国内外膜结构抗风设计理论尚不成熟，风与膜结构的流固耦合作用研究的滞后已成为制约膜结构抗风设计理论发展的主要因素。目前流固耦合计算常采用的分区法存在的交界面处条件不能精确满足，结果准确性差、只达到一阶准确性且易发散的缺点。针对膜结构大变形的特点，本项目采用强耦合整体方法系统研究了风与膜结构的流固耦合作用。项目组成员对项目的研究内容、需解决的关键科学问题进行了深入研究，完成了预定目标，达到了预期效果。本项目取得了如下主要成果：（1）引入了线弹性模型处理流体域变形，统一划分流体域和结构域网格，解决了流体域和结构域的数据信息传递问题，推导出了流固耦合体系网格更新的表达式，为进一步实现强耦合整体方法奠定了基础。(2)对流体控制方程、结构控制方程以及线弹性模型方程和流固交界面处的耦合条件采用伽辽金有限元法进行空间离散，采用隐式有限差分方法进行时间离散，利用上述各个方程的变分弱隐形式，推导得到膜结构流固耦合计算的强耦合整体式方程。（3）采用Newton方法线性化强耦合整体方程组，然后利用预处理的方法求解强耦合整体方程，得到强耦合整体方程的未知量：流体压力、流体速度、索膜结构位移和线弹性模型位移。（4）基于强耦合整体方程，搭建了计算风与膜结构流固耦合作用的数值模拟计算平台，可以模拟包括膜结构在内的大跨度柔性结构的风致动力响应及气动弹性特性。（5）采用强耦合整体方法首先对圆柱扰流和典型流固耦合问题进行了计算，后对膜结构进行了风荷载作用下的流固耦合计算，与试验对比验证了强耦合整体方法的正确性。计算得到了膜结构的风振响应、周围流场分布、膜结构气动特性等重要参数，研究得到了膜结构风振特性的有益结论，揭示了风与膜结构流固耦合作用的重要机理。本项目的成果为膜结构的抗风设计提供了准确的参考数据，为准确计算风与膜结构的流固耦合作用提供了一种可靠的计算方法，提供的强耦合整体计算方案使这项技术在实际工程膜结构抗风设计中的应用成为可能。