CN111008417B - 一种大长细比连续结构的风致振动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大长细比连续结构的风致振动分析方法，涉及桥梁抗风技术领域，其包括：将连续结构沿其长度方向划分为若干个节段，建立质体多自由度系统，构造其动力学分析模型；根据质体多自由度系统的分段形态，建立CFD计算模型；构建动力学分析模型的解算模块；对质体多自由度系统进行模态分析，构建质体多自由度系统的运动微分方程；在给定风速下，对CFD计算模型进行空气动力时程分析，解算质体多自由度系统的运动微分方程，获取连续结构气动响应。本发明，构建一个能直观展现大长细比连续结构的气动效应的数值风洞，清晰示出连续结构风致振动时各模态的参与情况，以及给定风速下的气动响应；优化了分析方法，提高了分析效率。

Description

一种大长细比连续结构的风致振动分析方法

技术领域

本发明涉及桥梁抗风技术领域，具体涉及一种大长细比连续结构的风致振动分析方法。

背景技术

目前，对结构进行风致振动的分析方法主要有理论分析、风洞试验和数值模拟。为了研究流场和结构的相互作用，理论分析方法假定了作用在结构上的气动力近似表达式，其参数需通过风洞试验获取。风洞实验方法所得的结果比较真实可信，是理论分析和数值模拟方法的基础，是目前大长细比的连续结构风致振动研究最主要的手段。但风洞实验费用高、耗时长，流场显示难度较大，需要专门的设备。

数值模拟方法是直接建立数值仿真模型进行计算，可以直接计算耦合作用下的气动力，不需要采用气动力的近似表达式。但是，现有的数值模拟分析方法是基于结构受力分析与计算流体动力学两套独立的计算软件，需要分别建立两个独立的计算模型，利用结构表面网格作为流固交界面，交换、传递计算数据。大型商业通用软件的计算过程要占用大量计算机资源，系统负荷大，计算时间长，且不能适应体型巨大、外型复杂且具有大长细比的土木工程结构风致振动的分析需要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大长细比连续结构的风致振动分析方法，可构建一个能直观展现大长细比连续结构的气动效应的数值风洞，优化分析方法，提高分析效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种大长细比连续结构的风致振动分析方法，其包括步骤：

将大长细比连续结构沿其长度方向划分为若干个节段，建立由该若干个节段组成的质体多自由度系统，构造质体多自由度系统的动力学分析模型；

根据质体多自由度系统的分段形态，建立计算流体动力学CFD 计算模型，划分各节段的表面网格和流体计算域网格；

依据质体多自由度系统的动力学分析模型，构建上述动力学分析模型的运动微分方程解算模块；

对上述质体多自由度系统进行模态分析，构建质体多自由度系统的运动微分方程、质体多自由度系统的正则变换矩阵；

在给定风速下，对CFD计算模型进行空气动力时程分析，调用解算模块求解质体多自由度系统的运动微分方程，获取连续结构与流场的动态变化过程。

在上述技术方案的基础上，上述连续结构划分的节段数大于固有频率的阶数，且由期望展示的连续结构固有振型数决定，上述解算模块的解算规模由节段数和固有频率的阶数决定；

上述构造正则变换矩阵具体包括：

根据节段数和固有频率的阶数，构造各节段水平弯曲的正则变换矩阵、竖向弯曲的正则变换矩阵、以及绕连续结构形心轴旋转的正则变换矩阵。

在上述技术方案的基础上，上述获取连续结构与流场的动态变化过程，具体包括：

通过自定义函数UDF，模拟各节段每个时间步的结构变形，计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，以及由节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量；

上述第一水平坐标增量与第二水平坐标增量之和为各节点的水平坐标增量；

上述第一竖直坐标增量与第二竖直坐标增量之和为各节点的竖直坐标增量。

在上述技术方案的基础上，上述自定义函数包括各节段运动函数；上述方法还包括：

对各节段进行排序，并将其分为首节段、多个中间节段和末节段；

按功能和使用顺序，建立首节段运动函数、多个中间节段运动函数和末节段运动函数，并将上述各节段的运动函数与各节段的序号一一对应。

在上述技术方案的基础上，求解质体多自由度系统的运动微分方程，具体包括：

在首节段运动函数，获取上述连续结构的结构动力特性，以及前一时刻作用于各节段形心处的流场气动力、各节段形心处的位移和速度、以及各节段形心所在截面相对形心转动的转角和转动角速度；调用解算模块求解当前时刻各节段形心处的位移和速度、各节段形心所在截面相对形心转动的转角和转动角速度，进而计算前一时刻和当前时刻的各节段的端截面形心的水平位移和竖直位移、以及各节段的端截面相对其自身形心的转角和转动角速度。

在上述技术方案的基础上，上述计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，具体包括：

通过各节段运动函数，根据前一时刻和当前时刻，各节段的端截面形心的水平位移和竖直位移，通过插值法，计算各节段在前一时刻到当前时刻里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量。

在上述技术方案的基础上，获取上述连续结构的结构动力特性，具体包括：

建立多自由度系统的质量矩阵和转动惯量矩阵，并计算得到每一阶的阻尼比、固有频率及相应的振型矢量。

在上述技术方案的基础上，上述计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量，具体包括：

通过各节段运动函数，将上述各节点的整体坐标转换为以该节点前一时刻所在截面形心为原点的局部坐标；

再根据前一时刻和当前时刻，各节段的端截面相对其自身形心的转角值，通过插值法，计算各节段在前一时刻到当前时刻里，由各节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量。

在上述技术方案的基础上，上述获取前一时刻作用于各节段形心处的流场气动力后，还包括：

通过各节段运动函数，采集作用于各节段表面网格上的流场压力，然后利用数值积分法，计算当前时刻作用于各节段形心处的流场气动力；

上述流场气动力包括气动水平合力、气动竖向合力以及气动合扭矩；

上述各节段形心处的位移和速度包括形心的水平位移量、竖直位移量、水平移动速度、竖直移动速度。

在上述技术方案的基础上，还包括：根据不同的风速下，上述连续结构与流场的动态变化过程，评价连续结构的抗风性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的大长细比连续结构的风致振动分析方法，通过将连续结构划分成质体多自由度结构，得到质体多自由度系统，并以此建立CFD计算模型，然后对CFD计算模型进行空气动力时程分析，求解多自由度运动微分方程，以此构建一个能直观展现大长细比连续结构的气动效应的数值风洞，清晰示出连续结构风致振动时各模态的参与情况，以及给定风速下的气动响应；优化了分析方法，提高了分析效率。

(2)本发明的大长细比连续结构的风致振动分析方法，通过依次调用各节段运动函数，采集作用于各节段表面上的流场压力，利用数值积分法，得到各节段所受气动力，计算出各节段表面网格各节点的每个时间步长的坐标增量，利用CFD分析软件的动网格功能，模拟各节段每个时间步的结构变形，使连续结构的动力学响应以结构表面网格移动的方式体现出来，实现流固耦合。

(3)本发明的大长细比连续结构的风致振动分析方法，仅需要在计算流体动力学CFD软件里建立一个CFD计算模型，供结构动力分析、结构气动分析共同使用，对连续结构的初步设计进行风致振动分析，以便于根据分析结果优化连续结构外形的气动设计。

附图说明

图1为本发明实施例中大长细比连续结构的风致振动分析方法的流程图。

图2为本发明实施例中大长细比连续结构的分段示意图；

图3为本发明实施例中大长细比连续结构的任一节段的示意图；

图4为本发明实施例中大长细比连续结构的各节段竖弯的前四阶振型示意图；

图5为本发明实施例中吊杆的整体流体网格的示意图；

图6为本发明实施例中吊杆的局部流体网格的示意图；

图7为本发明实施例中吊杆中部的旋涡脱落的示意图；

图8为本发明实施例中吊杆两端的旋涡脱落的示意图。

图中：1-坐标原点O，2-X轴，3-Y轴，4-Z轴，5-连续结构，6- 节段，7-形心轴，8-节段形心，9-节段起始端，10-节段结束端，11- 节段起始端的形心，12-节段结束端的形心，13-节段表面网格，14- 节点p，15-节点p所在截面，16-节点p所在截面形心。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种大长细比连续结构的风致振动分析方法，主要是通过建立一个计算模型，供结构动力分析、结构气动分析共同使用，具体包括步骤：

S1.将大长细比连续结构沿其长度方向划分为若干个节段，建立由该若干个节段组成的质体多自由度系统，构造质体多自由度系统的动力学分析模型。

S2.根据质体多自由度系统的分段形态，建立计算流体动力学 CFD(Computational Fluid Dynamics)计算模型，划分各节段的表面网格和流体计算域网格。网格划分后，根据连续结构的实际工况，设置边界条件及相关流体力学计算参数。

本实施例中，按右手螺旋法则构成三维整体坐标系，以连续结构的长度方向为Z轴，以竖直向上方向为Y轴，以水平面上垂直于Z 轴的方向为X轴。另外，以任一节段的任意一个节点所在的与Z轴垂直的平面为该节点的Z1平面，任一Z1平面与X轴和Y轴所构成的平面平行，且Z1平面在Z轴的坐标即为节点的Z轴坐标。大长细比连续结构的风致振动表现为：任一节段的任意一个节点所在的与Z 轴垂直的截面，即该节点的Z1平面上做刚体平面运动，即该截面上的任意一点均随截面形心沿水平和竖直方向移动，以及相对截面形心转动，且截面的任意两点间无相对位移。

其中，以连续结构的形心轴的运动在X轴与Z轴所构成的平面上的投影，为连续结构的水平弯曲运动，简称为平弯；以连续结构的形心轴的运动在Y轴与Z轴所构成的平面上的投影，为连续结构的构的竖向弯曲运动，简称为竖弯；以连续结构的任意一个与Z轴垂直的截面相对形心轴的转动，为连续结构的扭转运动，简称为扭转。本实施例中，利用结构气动响应主振型的正交性，将连续结构的质体多自由度系统分离成水平移动、竖向移动及扭转运动共3个质点多自由度系统。

S3.依据质体多自由度系统的动力学分析模型，构建上述动力学分析模型的运动微分方程解算模块，并将解算模块嵌入到CFD分析软件中。

上述解算模块利用振型分解法，解算质体多自由度系统的结构气动三分力响应。三分力响应包括水平与竖向的速度、位移；转动的角速度、角位移等。

S4.对质体多自由度系统进行模态分析，构建质体多自由度运动微分方程、质体多自由度系统的正则变换矩阵。

S5.在设定风速下，对CFD计算模型进行空气动力时程分析，获取连续结构在流场中受到的气动三分力，调用解算模块求解质体多自由度运动微分方程，获取连续结构与流场的动态变化过程，即连续结构气动响应。

本实施例的分析方法，在CFD分析软件中进行。仅需要在CFD 分析软件里建立一个计算模型，供结构动力分析、结构气动分析共同使用，利用CFD分析软件的动网格功能，模拟每个计算时间步的结构变形，以得到连续结构与流场的动态变化过程。

本实施例可应用于大长细比连续结构风致振动问题的数值仿真分析，包括大跨度桥梁的梁部结构、斜拉桥或悬索桥的桥塔、拱桥吊杆等桥梁主体构件，以及拟全桥、高耸建筑物等。通过将连续结构划分为多个节段，得到质体多自由度系统。以此建立与实际结构尺寸相同的CFD计算模型，然后对CFD计算模型进行空气动力时程分析，求解质体多自由度运动微分方程。以此构建一个能直观展现大长细比连续结构的气动效应的数值风洞，清晰示出连续结构风致振动时各模态的参与情况，以及给定风速下的气动响应；优化了分析方法，提高了分析效率，并可辅助优化连续结构外形的气动设计。

上述步骤S1中，连续结构的一个节段为一个质体，单个质体的自由度具体包括水平运动的第一自由度、竖向运动的第二自由度、以及绕连续结构形心轴运动的第三自由度。因此，本实施例中，质体多自由度系统的总自由度的数量为节段数的3倍；质点多自由度系统的自由度数为节段数。

连续结构所划分的节段数量，由期望能完整展示的连续结构固有振型最大阶数确定。连续结构划分的节段数大于固有频率的阶数，且固有频率的阶数小于或等于5。解算模块的解算规模由节段数和固有频率的阶数决定。

上述步骤S3中，嵌入到CFD分析软件中的动力学分析模型的运动微分方程解算模块，为适应质体多自由度系统，需按动力学分析模型的节段数和期望能完整展示的固有振型的阶数予以定制，使之能解算连续结构在流场中所受气动三分力的动力响应。

上述步骤S4中，上述构造质体多自由度系统的正则变换矩阵具体包括：根据节段数和固有频率的阶数，构造各节段水平弯曲的正则变换矩阵、竖向弯曲的正则变换矩阵、以及绕连续结构形心轴旋转的正则变换矩阵。

参见图2-4所示，将连续结构划分成11个节段，即可清晰展示该连续结构的前4阶各固有振型特征，且保证了利用振型分解法解算多自由度系统动力方程的精度。各节段的长度是否相同，由连续结构的支承条件确定。

本实施例中，将连续结构划分成11个不等长的节段，以连续结构长度L的1/12为标准长度。首节段和末节段长度取1.5倍的标准长度，中间节段长度取标准长度。参见图4所示，其为上述11个不等长节段竖弯的前4阶振型示意图，图中由上至下分别为Ⅰ阶振型、Ⅱ阶振型、Ⅲ阶振型及Ⅳ阶振型。

然后按节段数11及固有频率阶数4，分别构造各节段质点平弯、竖弯及扭转的11×4阶的正则变换矩阵，集成能分别解算质点平弯、竖弯及扭转的质点多自由度系统气动三分力响应的运动微分方程解算模块。运用C++语言编程，嵌入到CFD分析软件中。

流固耦合FSI(Fluid-Structure Interaction)分析方法，是研究弹性体在气流作用下的力学行为的方法，其建立于CFD的基础上。流固耦合数值仿真技术在航空、化工、海洋工程等工业领域的应用取得了成功，有大型商业通用软件如ADINA、ANSYS等综合分析软件，及MpCCL(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)等第三方耦合接口软件供这些领域进行流固耦合FSI分析计算。

本实施例中，通过对CFD商用软件二次开发，编写了可考虑连续结构的平弯、竖弯和扭转变形的流固耦合计算程序，能进行考虑流固耦合作用的连续结构气弹涡激共振时域分析，为桥梁研究提供了一种崭新的思路和方法。

本实施例中，获取连续结构与流场的动态变化过程，具体包括：通过自定义函数UDF(User-Defined Function)，模拟各节段每个时间步的结构变形，利用插值工具计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，以及由节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量；

第一水平坐标增量与第二水平坐标增量之和为各节点X轴向的水平坐标增量；

第一竖直坐标增量与第二竖直坐标增量之和为各节点Y轴向的竖直坐标增量。

本实施例中，以CFD分析软件的当前计算步时间为当前时刻t1，其前一个计算步时间为前一时刻t0；其后一个计算步时间为后一时刻 t2。即，t0＝t1-Δt，t2＝t1+Δt，Δt为时间步长。Δt通常小于1/100秒数量级，采用延时方式，即在本计算时间步t1时刻，利用上一个计算时间步t0时刻的流场气动力，解算出结构气动响应，作为t1时刻结构气动响应，使结构产生气动变形，对流固耦合分析不构成实时性影响。通过对时间步长的控制，可方便地展示流场、结构形态的变化细节，显现气流与结构之间的相互作用。

本实施例中，自定义函数UDF包括各节段运动函数。本实施例的分析方法，还包括：

首先对各节段进行排序，并将其分为首节段、中间节段和末节段。

然后按功能和使用顺序，建立首节段运动函数、多个中间节段运动函数和末节段运动函数，并将各节段的运动函数与各节段的序号一一对应。以CFD分析软件提供的宏函数为接口，依次建立各节段在 CFD分析软件中的运动函数。将各节段运动函数组合，形成具有双向流固耦合分析功能的用户自定义函数。

根据所选用的CFD分析软件不同，可将最大或最小编号的节段的运动函数定义为首节段运动函数，使CFD分析软件首先调用，然后将对应的最小或最大编号的段的运动函数定义为末节段运动函数，使CFD分析软件最后调用；其余节段的运动函数则均为中间节段运动函数，以逆序号或顺序号依次调用。因此，CFD分析软件中的运动宏函数均为接口函数。

上述步骤S5中，求解质体多自由度系统的运动微分方程，具体包括：通过首节段运动函数先获取连续结构的结构动力特性，然后获取前一时刻t0作用于各节段形心处的流场气动力、各节段形心处的位移和速度、以及各节段形心所在截面相对形心转动的转角和转动角速度，再调用解算模块求解当前时刻t1各节段形心处的位移和速度、各节段形心所在截面相对形心转动的转角和转动角速度，实现由“流”到“固”的耦合，并将计算结果暂存于CFD分析软件的数据库中。

然后根据t0和t1的各节段形心处的位移和速度，通过插值法计算前一时刻t0和当前时刻t1的各节段的端截面形心的水平位移和竖直位移、以及各节段的端截面相对其自身形心的转角和转动角速度。

其中，作用于各节段形心处的流场气动力包括气动水平合力、气动竖向合力以及气动合扭矩。各节段形心处的位移和速度包括形心的水平位移量、竖直位移量、水平移动速度、竖直移动速度。

本实施例中，计算首节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，具体包括：通过首节段运动函数，访问CFD分析软件的数据库，获取前一时刻t0和当前时刻t1，首节段的两个端截面形心的水平位移和竖直位移，通过插值法，计算t0到t1的时间步长里首节段中，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量。

本实施例中，计算每个中间节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，具体包括：通过每个中间节段的运动函数，访问CFD分析软件的数据库，获取前一时刻t0和当前时刻t1，每个中间节段的端截面形心的水平位移和竖直位移，通过插值法，计算t0到t1的时间步长里每个中间节段中，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量。

对于多个中间节段，按照预先的排序依次调用对应序号的中间节段的运动函数进行计算即可分别得到每个中间节段的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量。

本实施例中，计算末节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，具体包括：通过末节段的运动函数，访问CFD分析软件的数据库，获取前一时刻t0和当前时刻t1，末节段的端截面形心的水平位移和竖直位移，然后通过插值法，计算t0到t1的时间步长的末节段中，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量。

具体得，获取任一节段的任一节点p(x，y，z)，根据t0和t1 的节点p所在节段的端截面形心的水平位移和竖直位移，采用插值法，即可得出t0到t1的时间步长内，由该节点p所在截面形心的水平位移产生的X轴向的第一水平坐标值增量Δxx，以及由节点p所在截面形心的竖直位移产生的Y轴向的第一竖直坐标值增量Δyy。

本实施例中，计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量，具体包括：

利用各节段运动函数，首先将各节点的整体坐标转换为以该节点前一时刻所在截面形心为原点的局部坐标。

再根据前一时刻t0和当前时刻t1，各节段的端截面相对其自身形心的转角值，通过插值法，计算t0到t1的时间步长的各节段中，由各节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量。

具体得，首先将前一时刻t0时，节点p(x，y，z)在其截面所在的z平面上的坐标pz(x，y)，转换为以前一时刻t0截面形心位置为原点的局部坐标pb(xb，yb)。其中，xb＝x-xc，xc为t0时节点 p所在截面形心在整体坐标系X轴上的值；yb＝y-yc，yc为t0时刻节点p所在截面形心在整体坐标系Y轴上的值。

然后根据t0和t1的节点p所在节段的端截面形心的水平位移和竖直位移，采用插值法，即可得出t0到t1的时间步长内，由该节点 p所在截面相对截面形心转动产生的X轴向的第二水平坐标值增量Δxt，以及由节点p所在截面相对截面形心转动产生的Y轴向的第二竖直坐标值增量Δyt。

因此，t0至t1的时间步长的各节点的水平坐标增量Δx＝Δxx+Δxt，各节点的竖直坐标增量Δy＝Δyy+Δyt。将每个时间步长的各节点的坐标增量均存储于CFD分析软件的数据库中，利用CFD分析软件的动网格功能，使连续结构的动力学响应以结构表面网格移动的方式体现出来，实现由“固”到“流”的耦合。

本实施例中，上述获取连续结构的结构动力特性，具体包括：

通过对动力学分析模型进行模态分析，建立多自由度系统的质量矩阵和转动惯量矩阵，并计算得到由第一阶到第n阶的每一阶的阻尼比、固有频率及相应的振型矢量。

对于体型巨大、外型复杂且具有大长细比的土木工程结构的风致振动的研究，通常只需要前n阶的固有频率及其所对应的固有振型。为清晰展示该结构的固有振型特征，可将连续结构划分为若干个节段。本实施例中，依设定的节段数11、固有频率阶数4，对11个质体组成的3×11多自由度系统进行模态分析，建立有11个质点的多自由度系统的质量矩阵和转动惯量矩阵，并计算出结构平弯、竖弯及扭转的前n阶的阻尼比、固有频率和与其相对应的振型矢量。

本实施例的分析方法，还包括：

通过各节段运动函数访问CFD分析软件的数据库数据，采集作用于各节段表面网格上的流场压力，利用数值积分法，计算当前时刻 t1作用于各节段形心处的流场气动力，并存储于CFD计算模型的数据库中，求解下一时刻t2各节段形心处的位移和速度。

本实施例中，利用t0的流场气动力，计算出t1的连续结构的结构气动响应，使结构产生气动变形；同时，采集连续结构在t1受到的流场气动力，以计算t2的结构气动响应，以此达成流固耦合的目的，实现了在一个时间步长内仅利用CFD分析软件，进行全结构双向流固耦合分析，完成连续结构的气动变形与气动力的采集。

进一步地，由于CFD分析软件的计算分析迭代步数多、资源占用量大、耗时长，因此在分析过程中，难免出现计算意外中断的情况。本实施例的分析方法，还包括，通过末节段运动函数，将计算得到的每个时刻作用于各节段形心处的流场气动力、以及各节段形心处的位移和速度等数据，以文件的形式储存到CFD分析软件外的计算机系统的硬盘存储器中，以实现将中间成果数据进行外部存储。t1时刻外部存储设备存储的中间成果数据，一方面供t2时刻计算分析使用；另一方面，当遇到CFD计算分析意外中断时，可从中断处迅速恢复计算分析。

本实施例中，在设定的风速下，依次计算每个时间步长的各节段各节点的水平坐标增量和竖直坐标增量。当连续结构的平弯、竖弯或扭转变形达到最大值，或连续结构出现发散变形，则停止迭代计算，表明该连续结构不足以承受该风力，该连续结构需要进行优化。

本实施例的分析方法，还包括：根据不同的风速下，该大长细比连续结构与流场的动态变化过程，评价连续结构的抗风性能。

在上述实施例的基础上，本实施例中，对高铁某拱桥的吊杆进行了风致振动分析，其流体网格划分如图5和图6所示，该流场分析的计算区域中，沿空气流动方向为其长度方向，沿吊杆长度方向为其宽度方向，因此，该计算区域的长为16m，宽为51.85m，高13m。风向从左至右，左侧设定为速度入口，右侧设定为自由出流，且上下边界为无滑移固壁边界。

采用本实施例分析方法对流场和吊杆之间的耦合运动进行数值模拟，靠近物体网格较为密集，远离物体网格较为稀疏，最小网格边长为0.02m，网格总数约1000万。采用有限体积法求解湍流模型中的大涡模型LES(Large Eddy Simulation)，其中流场压力和速度的耦合采用SMPLEC(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation Consistent)算法。在数值风洞里，既可见结构变形，又可见漩涡脱落现象。旋涡脱落如图7和图8所示，涡激共振最大均方根振幅如下表1所示，表明本实施例的数值计算与风洞实验结果相近，本实施例的数值风洞的计算精度满足要求。

表1

方法	数值计算	风洞实验
			涡激共振最大均方根振幅/mm	550	700

本实施例的分析方法，可对连续结构的初步设计进行风致振动分析，以便于根据分析结果优化连续结构的设计，并对优化后的结构有针对性地开展风洞试验。不仅计算模型修改方便，可提高设计效率，降低设计成本；还可将本实施例的分析方法与后期风洞试验的结果相互校验，提高研究结果的可信度与研究效率。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，其包括步骤：

将大长细比连续结构沿其长度方向划分为若干个节段，建立由该若干个节段组成的质体多自由度系统，构造质体多自由度系统的动力学分析模型；

根据质体多自由度系统的分段形态，建立计算流体动力学CFD计算模型，划分各节段的表面网格和流体计算域网格；

依据质体多自由度系统的动力学分析模型，构建所述动力学分析模型的运动微分方程解算模块；

对所述质体多自由度系统进行模态分析，构建质体多自由度系统的运动微分方程、质体多自由度系统的正则变换矩阵；

在给定风速下，对CFD计算模型进行空气动力时程分析，调用解算模块求解质体多自由度系统的运动微分方程，获取连续结构与流场的动态变化过程；

所述获取连续结构与流场的动态变化过程，具体包括：

通过自定义函数UDF，模拟各节段每个时间步的结构变形，计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，以及由节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量；

所述第一水平坐标增量与第二水平坐标增量之和为各节点的水平坐标增量；

所述第一竖直坐标增量与第二竖直坐标增量之和为各节点的竖直坐标增量；

所述自定义函数包括各节段运动函数；

所述方法还包括：

对各节段进行排序，并将其分为首节段、多个中间节段和末节段；

按功能和使用顺序，建立首节段运动函数、多个中间节段运动函数和末节段运动函数，并将各节段的运动函数与各节段的序号一一对应；

求解质体多自由度系统的运动微分方程，具体包括：

在首节段运动函数，获取所述连续结构的结构动力特性，以及前一时刻作用于各节段形心处的流场气动力、各节段形心处的位移和速度、以及各节段形心所在截面相对形心转动的转角和转动角速度；调用解算模块求解当前时刻各节段形心处的位移和速度、各节段形心所在截面相对形心转动的转角和转动角速度，进而计算前一时刻和当前时刻的各节段的端截面形心的水平位移和竖直位移、以及各节段的端截面相对其自身形心的转角和转动角速度。

2.如权利要求1述的大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，所述连续结构划分的节段数大于固有频率的阶数，且由期望展示的连续结构固有振型数决定，所述解算模块的解算规模由节段数和固有频率的阶数决定；

所述构造正则变换矩阵具体包括：

根据节段数和固有频率的阶数，构造各节段水平弯曲的正则变换矩阵、竖向弯曲的正则变换矩阵、以及绕连续结构形心轴旋转的正则变换矩阵。

3.如权利要求1所述的大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，所述计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量，具体包括：

通过各节段运动函数，根据前一时刻和当前时刻，各节段的端截面形心的水平位移和竖直位移，通过插值法，计算各节段在前一时刻到当前时刻里，由各节点所在截面形心的位移产生的第一水平坐标增量和第一竖直坐标增量。

4.如权利要求1所述的大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，获取所述连续结构的结构动力特性，具体包括：

建立多自由度系统的质量矩阵和转动惯量矩阵，并计算得到每一阶的阻尼比、固有频率及相应的振型矢量。

5.如权利要求1所述的大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，所述计算各节段在每个时间步长里，由各节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量，具体包括：

通过各节段运动函数，将所述各节点的整体坐标转换为以该节点前一时刻所在截面形心为原点的局部坐标；

再根据前一时刻和当前时刻，各节段的端截面相对其自身形心的转角值，通过插值法，计算各节段在前一时刻到当前时刻里，由各节点所在截面相对截面形心转动产生的第二水平坐标增量和第二竖直坐标增量。

6.如权利要求1所述的大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，所述获取前一时刻作用于各节段形心处的流场气动力后，还包括：

通过各节段运动函数，采集作用于各节段表面网格上的流场压力，然后利用数值积分法，计算当前时刻作用于各节段形心处的流场气动力；

所述流场气动力包括气动水平合力、气动竖向合力以及气动合扭矩；

所述各节段形心处的位移和速度包括形心的水平位移量、竖直位移量、水平移动速度、竖直移动速度。

7.如权利要求1所述的大长细比连续结构的风致振动分析方法，其特征在于，还包括：根据不同的风速下，所述连续结构与流场的动态变化过程，评价连续结构的抗风性能。

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