【編號】2020-70
　　【題名】均勻流場作用下ETFE氣枕的流固耦合分析
　　【作者】王曉峰，張玉清，楊慶山
　　【機構(gòu)】北京交通大學土木建筑工程學院；重慶大學土木工程學院
　　【刊名】鋼結(jié)構(gòu)（2020年07期）
　　【文摘】ETFE(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene)氣枕由于自重輕、造型豐富等優(yōu)點,廣泛應用于土木工程領域的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)如水立方等以及航空航天領域的空間可展結(jié)構(gòu).ETFE氣枕屬于風敏感結(jié)構(gòu),在風荷載作用下,易產(chǎn)生較大的變形和振動,進而使得周圍風場發(fā)生變化,引起顯著的流固耦合效應.這種耦合效應可以通過結(jié)構(gòu)形狀改變、附加質(zhì)量、氣動阻尼和氣承剛度的變化來表征.目前相關研究主要對張拉膜結(jié)構(gòu)在均勻流情況下的流固耦合作用進行了研究,尚未發(fā)現(xiàn)有關ETFE氣枕等充氣膜結(jié)構(gòu)方面的研究報道.以方形ETFE氣枕為研究對象,借助商用有限元軟件ADINA,通過將CFD(Computational Fluid Dynamics)/CSD(Computational Structure Dynamics)分析結(jié)果與FSI(Fluid Structure Interaction)分析結(jié)果進行對比,探究其在均勻流場情況下的流固耦合作用的特點以及對動力響應的影響規(guī)律.數(shù)值計算中忽略能量的耗散,因此沒有考慮氣動阻尼的影響,通過有勢流體考慮氣承剛度的影響,著重研究了流固耦合作用中氣枕形狀改變和附加質(zhì)量的影響作用.主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:假定外部流場為均勻?qū)恿鲌?采用8結(jié)點層流單元進行離散;ETFE氣枕外圍薄膜為線彈性材料且其變形滿足大轉(zhuǎn)動、小應變條件,采用3D-4結(jié)點膜單元進行離散;ETFE氣枕的內(nèi)充氣體為小擾動、無旋的理想流體,采用8結(jié)點線性勢流體單元進行離散.在CFD模塊,通過瞬態(tài)分析求得ETFE氣枕剛性模型表面的風壓分布和風荷載時程,然后將風壓時程施加在CSD模塊中ETFE氣枕的膜面上,借助隱式時間積分進行時程分析,求得在不考慮流固耦合作用時氣枕的風致響應.通過分別在CFD和CSD模塊中設置流固耦合界面,并在CFD模塊中引入ALE(Arbitary Lagrangian-Euler)網(wǎng)格離散計算域以考慮流固耦合邊界的運動問題,對均勻流場中的ETFE氣枕進行雙向耦合分析,計算其在考慮流固耦合作用情況下的表面風壓和風致響應.通過將CFD/CSD分析結(jié)果與FSI分析結(jié)果進行對比,研究流固耦合作用對ETFE氣枕動力響應的影響規(guī)律.結(jié)果表明:兩種情形下得到的風壓分布和數(shù)值大致相同,說明在外部均勻流場情況下,氣枕形狀改變對流場的影響很小;而兩種情形下的內(nèi)壓、位移、速度、加速度和應力響應時程結(jié)果差異較大,說明在外部均勻流場情況下,附加質(zhì)量對ETFE氣枕動力響應具有顯著影響.可見,均勻流場與ETFE氣枕的流固耦合作用,在不考慮氣動阻尼的情況下,主要體現(xiàn)為附加質(zhì)量的影響.