结构风工程数值分析研究现状

1、结构风工程数值分析研究现状自20世纪60年代后期以来，电子计算机的持续高速发展、各种数值方法特别是有限元方法的发展，促进科学研究方法的变革，即从理论和试验的两极转变为理论、试验和计算三极。人们可能利用数值分析方法，根据精确试验得出的材料本构关系和调查得到的载荷随机过程，对各种结构进行分析，并结合成熟的数值图形显示技术与图像技术，进行试验过程的数值模拟与仿真。在国际上，这方面已有良好的开端，美国三里岛核反应堆的事故分析采用了计算机仿真技术，用数小时就重现了这个无法重复的事故，并找到了事故的原因。此外，美国斯坦福大学的地质现象仿真和瑞士洛桑大学的“数值混凝土”都是成功的仿真实例。仿真技术的优点在于

2、它不受空间尺寸和时间长短的限制，可以提供人们有关结构行为的各种数据和图形(其中有些数据在试验中由于测量手段等局限性无法获得)，省去了人们大量的人力物力和时间，还甚至可代替一些无法进行的现场试验；另一方面，数值计算和仿真技术可使结构的重分析和再设计易于实现。目前，针对结构风工程的研究方式主要包括：源于现场仪器检测数据的现场实测法，基于随机振动理论的理论分析法，边界层的风洞试验以及以计算流体动力学为基础的数值风洞模拟技术。(1)现场实测在结构风工程中，现场实测法是各种方法中最直接。它主要利用各种仪器(如风速仪、加速度计等）在工程现场对实际的风环境和结构风振响应等进行实测与分析。现场实测法得到的结果

3、可靠性最高，但是成本很高，需要消耗大量的人力、物力和时间。除了成本方面的因素，测试时的气象和地形因素等都会对现场实测结果的准确度造成很大的影响。因此，如果采用现场实测法进行规律性的长期研究，是非常不现实的。目前，该方法主要应用在工程结构表面风荷载与风振响应的测量与计算方面，从而为工程结构防风研究提供相关的原始资料和数据。(2)理论分析使用理论分析计算法来进行流体场分析，主要是通过求解流场的力学方程，但是方程的求解非常困难。如果利用方程的解析解求解，可以比较迅速的得到最终需要的流体场结果参数，并且能够为流体力学的研究提供重要的理论参考，另外还可以与风洞试验和数值模拟的结果进行对比，验证后两者的准

4、确度。(3)风洞试验风洞试验基本过程是，首先建立待研究结构的缩放模型，然后将其置于风洞实验室中，利用相关的动力装置产生实际相类似的风环境，从而得到结构的风载荷数据以及风振效应。采用风洞试验可以对重要固体结构进行现场模拟，从而为结构的设计与优化提供详细的参考数据。该方法已经成为是目前工程结构风领域的主要研究方法和手段之一，尤其是在汽车、桥梁与飞机的气动特性研究领域，风洞试验发挥着巨大的作用。但是，风洞试验自身也有很多不足之处。该方法要求在实验室中人工模拟出与实际大气边界层的流动完全相似的风环境，也就是说不仅要满足几何相似和运动相似的要求，还需要满足动力相似和边界条件相似等条件。但是在大型结构的风

5、洞试验研究中，由于结构件的自身尺寸大，而且所处的工程实际现场的真实风场环境通常来说比较复杂，在风洞实验室基本上无法完美模拟大气边界层中的特殊湍流环境。因此，在试验完成后还需要对风洞实验的数据是否能够用于实际工程中进行详细的评估与分析。除了上述在相似度方面的不足以外，风洞试验还有很多其他方面的不足。首先该试验方法的成本很高，比如风洞试验室本身的造价昂贵，而且要产生强风场所需要的动力消耗也非常巨大。其次从制作相似的结构模型到风洞试验的完成，其持续的周期较长。最后，风洞试验通常都是针对特定的工程结构，其结构模型的重复利用率很低，而且还存在风洞洞壁的干扰和结构底部支架的干扰等。对于港口起重装卸机械这种

6、大型的特殊结构类型，假如在结构风工程中利用风洞试验来分析其风载荷与风振效应，则其制造成本非常大，而且风洞试验中的模型比实际起重机缩放比例非常大，因而模型的尺寸误差对分析的结果数据的准确度影响很大。所以，目前很少有设计单位或者制造企业采用风洞试验的方式来进行港口起重机的风场受载分析。(4)数值模拟技术20世纪80年代以来，除了风洞试验这一传统的风场分析技术，一种新型的研究方式计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics, CFD)技术开始逐渐流行。CFD的主要原理是基于流体力学理论，利用先进的计算机硬件与软件，采用数值模拟方法来对大气边界层(AtmosphericBoun

7、daryLayer, ABL)中的钝体结构绕流问题进行分析与计算，从而得到钝体结构周围的流场压力与流速分布以及结构在流场中应力与变形等信息。随着计算机硬件与软件技术的不断提高和飞速发展，基于计算流体动力学技术，依托高性能的计算机平台，采用数值风洞技术对结构在大气边界层风场环境中所受的风荷载与风振动力响应进行数值分析与模拟越来越受到研究者的欢迎。相对于风洞试验法的缺点，数值风洞模拟技术具有明显的优势。首先，由于整个计算模拟过程都是在计算机中完成的，因而其分析成本低，计算速度快。而且可以方便的改变结构的尺寸与材料参数，而不需要考虑缩尺模型试验中的参数相似度问题。同时还可以按照实际情况方便的改变风场

8、的相关参数，包括风向角、风速大小、风速变化方式、层流与湍流、风场边界条件等参数，因而可以方便地分析多种风载方案。此外，数值风洞模拟技术不需要受到实际风洞测点数目和布置位置的限制，它可以直观地得到整个风场区域内所有节点位置和单元的所有变量值。同时还可以方便的得到流场的流速分布图、压力分布图、结构变形图以及风速、压力与变形等参数相对于时间的变化曲线图等。目前，在计算流体力学的工程应用中，已经有大量的学者进行了广泛的分析与研究。在国外70年代初期，人们就开始以数值模拟的方法，对非流线型物体的绕流进行计算。而对建筑物表面风压及周围环境的数值模拟研究大致开始于80年代中期，Murakami等曾经用标准k

9、-模型对立方体建筑模型的表面风压及绕流风场进行过数值模拟，并在边界层风洞中作了试验测定1。90年代初，模拟不同风向作用下的立方体建筑、矩形截面高、低层建筑的风荷载问题已经出现，讨论了风对建筑物表面压力及周围环境的影响，并与试验结果相对比。在国内，上海海事大学的李晓猛利用ANSYS,通过对不同杆件的共振风速与其自振频率的关系进行研究，对岸边集装箱起重机的局部圆截面杆件进行了的风致振动研究2；上海海事大学的董达善和俞浩利用数字风动技术通过对箱体结构的计算流体力学分析，研究了典型起重机的双箱梁结构在风场中的风振效应3；大连理工大学的孙家斌利用ANSYS的CFX模块以数值模拟的方式详细研究了起重机常用

10、基本构件的风载荷系数，从而针对起重机的设计制造提出了一定的建设性意见4；上海交通大学的马骏利用计算风工程方法，对大跨空间结构的流固耦合风效应问题进行了分析，并构建了流固耦合边界数据传递的新方法5；山东大学的桂罗辉利用ADINA软件对单梁龙门起重机进行了流固耦合的风致动力相应分析，并得出了单梁龙门起重机主梁的风振系数与体型系数6。工程实践的实际需要促使结构抗风数值模拟技术的应用范围正在不断扩展，计算风工程正呈现出蓬勃发展的势头。随着计算理论模型的完善和计算机软硬件技术的突破，这一方法越来越显示出其优势，数值风洞技术已经成为结构风工程研究领域的重要且极具前景的方向之一。大型港口机械结构件涡激共振研

11、究现状风对结构的影响作用机理其本质是研究结构对风载荷的响应，意即研究结构的风振，属于空气动力学范畴。在实际工程中，结构的风振体现在三个方面：颤振、抖振和拉索的风振。风对结构的作用一般只考虑顺风力、横风力以及扭力矩三种成份，所以结构风荷载响应研究也主要集中在横风向响应、顺风向响应和扭转响应相应的三个方面。国内外已有的研究表明，容易出现风致振动而损坏的构件形式是细长杆件，而对这种细长杆件，风致振动主要表现为横风向的振动，主要以涡激振动为主。针对这类风致振动问题，国内外学者开展了一系列的研究工作：学术界早期的细长杆件风致振动研究主要集中在桥梁结构领域。在上世纪70年代初，美国宾夕法尼亚州费城的著名景

12、点三跨连续钢结构桁架桥Commodore Barry桥上出现了构件风毁现象，美国学者对此展开了一些列的研究。Mather与Wittig通过气弹模型风洞试验和节段模型探讨了H型截面杆件风毁的原因，认为涡激振动引起的大副弯曲和扭转是导致结构损坏的主要原因。在上世纪6080年代，日本学者Yamaguchi等研究了细长圆形杆件的涡振特性，发现通过缠绕螺旋线的方式可以将涡振的幅值减小到可接受的程度。Kubo与Sakurai通过风洞试验研究了细长H型结构分别处于均匀来流与5种不同紊流强度的湍流下的气动特性，发现均匀流场中此类结构表现出涡振和驰振，但在紊流场中仅表现出驰振特性，紊流对H型结构涡激共振有抑制作

13、用。除此之外，Ruscheweyh针对不同截面细长直立杆件的涡激共振现象进行了试验和研究，提出了一种考虑涡振幅值和涡激力相关性的涡振振幅计算理论“Correlation length model”，并与实测值进行了对比验证了其准确性。Matsumoto与Shiraishi等人在1988年通过风洞试验研究了高宽比在0.5至20间变化的矩形截面在紊流风作用下的表面压力分布情况，并对涡激振动与紊流风间的相互作用机理和风致振动与不稳定剪切分离流间的关系进行了探讨。我国对于结构风载作用下涡激振动的相关研究大致始于与上世纪七八十年代。早期的研究对象广泛，对高耸杆结构、高层建筑物、大型港口机械等都开展了相关

14、研究。如上世纪八十年代早期，同济大学欧阳可庆教授提出的风载作用下桁架大位移刚度矩阵，针对杆索结构提出杆索有限元法；同时期的上海交通大学、同济大学的卢耀祖、范祖尧等人对门座起重机刚性拉杆的涡激共振现象与理论计算方法进行了阐述，并通过风洞试验的方法求取了不同高宽比的矩形截面拉杆strouhal数和激励系数，估算了常见设计中刚性连杆中截面涡激振动位移尺寸，提出了在迎风面上开较大导流孔以避免涡激振动的方法。上世纪九十年代，武汉水运工程学院张士锷、钱元开等人对起重机结构风振系数进行了探讨，提出了一些风振系数计算方法。近年来，国内针对建筑物风致振动的研究取得了不少成果，如向阳对薄膜结构弹性模型风洞试验获取

15、了附加空气动力作用下的响应效果，对膜结构的风振响应有了较为准确和直观的认识；同济大学邓洪洲等人历时八年对桅杆结构在风载作用下的疲劳破坏进行了详细深入的研究，提出了考虑响应带宽性及非Gauss性的疲劳分析方法。而国内对于大型港口机械风载作用下的振动响应研究也取得了一定成果，如上海海事大学的李晓猛等人对岸边集装箱起重机圆截面杆件风致振动的机理讨论，该研究在试验的基础上提出了一系列如加装气动干扰器、条肋板等改进措施，较好的控制和减弱岸边集装箱起重机圆截面杆件涡致振动。虽然如此，但相较于其他方面的风致振动研究来看，目前针对大型港口起重机械所进行的研究还远远不够，考虑到港口所处的特殊环境与气象条件，开展

16、针对港口起重机械结构风致振动的研究是非常有必要的。大型港口机械结构风振疲劳损伤机理研究现状结构的风振疲劳属于随机变幅疲劳问题7，以往对于风振疲劳研究均以单轴疲劳分析理论为基础，依据疲劳寿命曲线（S-N曲线）估算结构疲劳寿命。国外，Crandall研究了窄带平稳高斯过程的疲劳累积损伤问题8；Lutes，Jiao和Moan等人将其扩展到宽带过程，Winterstein将其扩展到非高斯过程9；Bolotin对平稳随机载荷作用下的结构寿命进行了系统的研究；Chaudhury和Dover，Chow和Li等许多学者根据等效应力幅的概念，提出了多种等效应力法10；Wirsching提出了等效窄带法，并将其应

17、用于海洋结构；Holmes在Wirsching等效窄带法的基础上，提出了估算高耸结构风振疲劳上下限的简化方法，并考虑了平均风速和风向角的分布11。德国的U.Pile教授及其课题组在桅杆结构疲劳载荷谱和应力谱的实测及用雨流法进行了风振疲劳寿命计算。国内，同济大学顾明和上海交通大学范祖尧统计了起重机拉杆的顺风向及横风向载荷，并对危险点处疲劳载荷谱的编制方法进行了分析和讨论12。王之宏、屠海明、邓洪洲等学者分别采用雨流计数法、等效应力法和等效窄带法对格构式桅杆结构进行了时、频域内风振疲劳计算与分析。徐建波、温应龙等研究了格构式桅杆结构顺风向疲劳的时域可靠性问题。对于研究起重机风振疲劳起到了一定的借鉴

18、作用13-16。以裂纹萌生寿命控制结构的疲劳是对结构疲劳断裂认识不足的结果，疲劳总寿命包括裂纹萌生和裂纹扩展两部分，完整的疲劳分析既要研究裂纹的起始萌生，也要研究裂纹的扩展。随着人们对于疲劳断裂的深入认识，疲劳裂纹扩展引起人们的普遍关注。基于断裂力学和疲劳裂纹扩展理论的损伤容限法在航空航天、核工业等应用较为广泛并有着很好的效果，但在结构工程领域的应用还比较少。武汉理工大学赵章焰、邬俊文等基于断裂力学理论对岸边集装箱起重机进行了剩余寿命分析17；李波、陈定方等通过介绍二种常用的疲劳可靠性分析模式,在视载荷与抗力为随机过程,视材料常数n和C为随机变量的基础上,对动态疲劳可靠性分析模型进行研究,建立动态疲劳可靠性分析方法18。这些研究为起重机金属结构风振疲劳的计算打