张拉膜结构气弹失稳临界风速研究
发布时间:2022年3月7日 点击数:1298
膜结构容易在风作用下发生大幅变形及振动,会发生流固耦合效应。某些条件下这种相互作用会导致变形及振动幅度不断增大,这就是气弹失稳。气弹失稳临界风速求解问题是风工程领域的难题。本文针对这一问题提出一种改进的解析方法。本文采用了均匀势流这一个假设,基于膜振动方程建立单向张拉平面膜的振动模型,基于薄壳无矩理论和膜振动方程建立马鞍面膜的振动模型;结合势流理论、亚音速升力面理论和对称翼型理论,建立膜气动力求解的解析理论;利用伽辽金法给出给定模态下的振动常微分方程,并由此得到气弹失稳的判定准则,并给出了失稳临界风速的表达式。在此基础上,对矩形平面单向张拉平面膜、矩形平面马鞍面膜和菱形平面马鞍面膜进行了气弹失稳临界风速分析,探讨了预张力、平面横顺比和矢跨比等因素对临界风速的影响,并给出了一些防止失稳的措施。本文主要内容如下:1.总结了国内外对气弹失稳临界风速问题的研究现状,比较了各个观点之间的异同。2.提出了改进的膜结构气弹失稳解析方法。与以往解析法不同在于,本文用亚音速升力面理论求解马鞍面膜两高点连线方向（垂向）和平面膜的气动力;用半空间无界Poisson方程和全空间无界Poisson方程解的不同来区分封闭式膜结构和开敞式膜结构的气动力,并考虑了膜面诱导阻力对膜预张力的松弛作用。3.采用本文方法对矩形平面单向张拉平面膜、矩形平面马鞍面膜和菱形平面马鞍面膜进行了气弹失稳临界风速分析,总结了结构气弹失稳特征,建立了失稳临界风速的求解准则,分析了预张力、平面横顺比和矢跨比等因素对临界风速的影响,并给出了一些防止失稳的措施。与陈昭庆、Uematsu Y和Uchiyama K的试验结果进行了对比,吻合度很高,在精度上比以往解析法有很大提升。4.本文研究结果表明,膜结构的气弹失稳临界风速大多随模态增加而增加,随预张力的增加而增加,某些情况下增加结构的矢跨比可以较明显地提高失稳临界风速;开敞式膜结构比封闭式膜结构更容易失稳;当选择平面形状为矩形的膜时,应注意平面横顺比的选择,一般应尽量选择较小的平面横顺比。
