基于升力面理论与边界元法的膜结构附加质量研究

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1、国内图书分类号：TU392.5密级：公开国际图书分类号：624西南交通大学研究生学位论文基于升力面理论与边界元法的膜结构附加质量研究年级二〇一五级姓名饶明航申请学位级别硕士专业结构工程指导老师潘毅二〇一八年五月ClassifiedIndex:TU392.5U.D.C:624SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisStudyonadditionalmassofmembranestructuresbasedonliftingsurfacetheoryandboundaryelementmethodGrade

2、:2015Candidate:RaoMinghangAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpeciality:StructuralEngineeringSupervisor:PanYiMay.2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要薄膜结构对风荷载十分敏感，是受风荷载破坏最为严重的建筑形式之一。目前，膜结构抗风设计理论还不成熟，流固耦合效应是其中较为突出的问题。为此，一些学者提出了简化气弹模型，该方法近似的描述了膜结构的流固耦合效应。简化气弹模型包含附加质量、气动阻尼、气承刚度三种气动参数，本文针对气动参数中的附加质量

3、展开研究，这对研究流固耦合效应是具有重要意义的。本文假定空气为不可压缩理想势流，首先采用升力面理论对开敞式薄膜结构进行研究，通过涡格法近似求解了敞开式薄膜的附加质量；其次，采用边界元法对封闭式薄膜进行研究，给出薄膜表面的速度势函数的一般表达式，并通过相应的数值方法得到封闭式薄膜的附加质量；最后对膜结构附加质量进行参数化分析，探讨了风速、张力、结构尺寸、气压等因素对结构附加质量的影响。得出的主要结论如下：（1）利用升力面理论对开敞式长方形膜试验模型进行研究，并通过升力面理论相应的数值方法涡格法对试验模型的附加质量进行计算，并将得到的附加质量考虑到薄膜结构

4、中，所得频率与试验结果较为吻合。（2）采用边界元法对封闭式圆膜试验模型进行研究，并通过相应的数值方法建立离散动力平衡方程，所得频率与试验结果较为吻合。（3）对风速、张力、结构尺寸、边界形式、气压、振型、振幅对附加质量的影响进行了探讨。附加质量与风速、结构尺寸、气压是呈正比的；张力对附加质量的影响是与风速有关的，风速为零，张力对附加质量的影响很小，风速增大，不同张力的附加质量差异增大，一定风速下，附加质量随张力增大而减小；长边固定的长方形膜的附加质量受风速的影响比四边固定长方形膜更大；随着振型阶数的增加，附加质量是越来越小的；而振幅对附加质量的影响是可以

5、忽略不计的。综上，本文对膜结构的附加质量的采用的计算方法是可靠的，并对附加质量的变化规律进行了有益的探索，以期为流固耦合效应的研究提供借鉴。关键词：膜结构；附加质量；升力面理论；边界元法；参数化分析基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0802205），国家自然科学基金（51608453）西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractMembranestructureisverysensitivetowindload,anditisoneofthemostseriousarchitecturalformsdamagedbywindload.

6、Sofar,thetheoryofmembranestructurewindresistantdesignisnotyetmature,andthefluidsolidcouplingeffectisaprominentproblem.Therefor,somescholarshaveproposedsimplifiedaeroelasticmodel,whichapproximatedthefluidstructureinteractioneffectofmembranestructure.Thesimplifiedaeroelasticmodelc

7、onsistsofthreeaerodynamicparameterssuchasadditionalmass,aerodynamicdampingandairbearingstiffness.Thispaperstudiestheadditionalmassinaerodynamicparameters,whichisofgreatsignificanceforthestudyofthecouplingeffectoffluidandsolid.Inthispaper,airisassumedtobeanincompressibleidealpote

8、ntialflow.First,theopentypemembranestructureiss