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随着科学技术的日益发展,现代结构如超高层建筑、大跨度桥梁、索膜结构等被广泛应用。这些结构本身往往具有柔性大、阻尼小、重量轻等特点,因而在风的作用很易发生破坏。传统抗风设计采用风振系数的概念,把风作为一种静荷载来进行处理,这与风和结构是耦合作用的事实有很大的区别。风从本质上是一种流体,因此可以从流固耦合作用的角度研究结构在风作用下的响应。流固耦合作用分析是一个涉及多个学科领域的交叉科学,目前是国内外科学界研究的热点和难点之一。本文对流固耦合分析中的交互作用理论和方法进行了研究,主要内容包括:
⑴构建了流固交互作用分析理论体系。交互求解分可分为四个部分:流体域求解、固体域求解、流体域有限元网格运动以及流固接触界面上的数据传输。
⑵流体域采用任意拉格朗日欧拉描述(ALE)的基于特征线分解(CBS)时间积分算法和有限元空间离散方法进行求解,文中导出了ALE描述下的粘性不可缩流体层流和湍流动力方程的有限元格式。根据流固接触界面上的位移协调条件,采用虚拟弹性法对流体域网格运动进行计算,得到了用于流体求解所需要的网格速度和更新后的节点坐标。
⑶将流固接触界面上数据传递的方法归结为两大类:局部插值法、整体插值法。局部插值法中研究了映射点插值法,Stein法,常体积转换法等方法,并给出了主单元及映射点搜寻算法;整体插值法研究了样条函数法、Shepard方法、径向基函数法。
⑷将径向基函数插值法引入流固耦合分析。通过矩阵运算,导出了流固接触界面上流体信息向固体传递的的传递矩阵Hfs及流固接触界面上固体信息向流体传递的的传递矩阵Hsf。采用传递矩阵进行数据传递具有很大灵活性,它允许流体域和固体域采用任意有限元网格。
⑸采用ANSYS建立了二维平面、三维半圆柱壳体两种具有不同网格密度的界面,采用解析的方法构造出界面上矢量场。通过RBF插值计算得到的节点矢量的数值解,并将数值解和解析解的进行了对比分析,从而对RBF插值算法的的精确性及其对不同网格密度的适应性进行了分析。文中最后采用商用软件,对一工程算例进行了流固交互求解,得到了流固接触界面上流体域、固体域上的真实位移、速度、压强信息。以这些数据为基础,采用自主开发的AADS系统中的FSI分析模块初步实现了对流固交互作用过程的分析。将RBF插值计算结果和局部插值算法计算结果进行了对比分析,结果表明二者具有较好的逼近度,证明了程序的有效性。