CN112231808B - 骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，运用数值风洞模拟方法模拟风荷载与取值，该方法能完整的提取骨架外露网格结构的风荷载并且提供将风荷载转换为二维线性模型的节点风荷载值，从源头上避免数据提取的误差以及数据转换的误差，能够科学的得到骨架外露网格结构的风荷载值。本发明解决了对于新型的骨架外露网格结构，传统的风洞实验手段无法合理给出结构设计所需的风荷载值的问题。

Description

骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法。
背景技术
在建筑结构中，传统的骨架外露网格结构，其主要构件为格构式细长结构组成，且既是围护结构又是受力结构。这一类传统骨架外露网格结构的表面风荷载分布梯度渐次变化，且变化平缓，只要少量的风压测点即可代表建筑的合理风压分布。现如今出现了新型的骨架外露网格结构(如国家体育场鸟巢)，其表面风荷载分布梯度变化大，若仅通过少量的风压测点无法代表建筑的合理风压分布。
基于此，传统的风洞实验与数值风洞模拟方法采用有限数量测点来获取结构风压值；风洞实验另外有高频存在风荷载的代表性不足、误差极大，引起结果偏差过大的结果；同时，获取的测点风压值存在转化到结构模型的困难。针对新型的骨架外露网格结构，传统的风洞实验手段无法合理给出结构设计所需的风荷载值。
发明内容
为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，以解决对于新型的骨架外露网格结构，传统的风洞实验手段无法合理给出结构设计所需的风荷载值的问题。
为实现上述目的，提供一种骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，包括以下步骤：
建立网格结构的三维模型和二维线性模型；
将所述网格结构的三维模型划分为多个面单元并获取所述面单元的形心；
获取所述形心到所述面单元中的所有线单元的最近点的点集；
基于所述点集中的所有的点与所述形心的距离，将所述点集中的所有点排序以获得所述点集中距离所述形心的最近点；
获取所述最近点对应于所述二维线性模型的所述最近点所在的最近线单元；
计算获得所述最近线单元的两端点中与所述最近点的距离最近的一近端点；
以三向力表示所述面单元的风荷载，将所述三向力转换为所述近端点的六分量力，并对所有所述面单元的所述近端点的六分量力求和以获得所述骨网格结构的风荷载。
进一步的，所述面单元的风荷载由Fmx、Fmy、Fmz三向力表示，所述三向力计算公式为：
Fmx＝Am·nmx·pm；
Fmy＝Am·nmy·pm；
Fmz＝Am·nmz·pm；
其中，nmx、nmy、nmz为所述面单元归一化法向矢量，Am为所述面单元的面积，Pm为所述面单元的风压值。
进一步的，将所述三向力转换为所述近端点的六分量力的转换计算公式为：
其中，C′m为最近点，Nj为近端点，Ni为最近线单元中与近端点相对的一端相对的一端点，为面单元的风荷载三向力转换到近端点的六分量力，为转换矩阵，dx、dy、dz为最近点至近端点的距离矢量。
本发明的有益效果在于，本发明的骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法运用数值风洞模拟方法模拟风荷载与取值，该方法能完整的提取骨架外露网格结构的风荷载并且提供将风荷载转换为二维线性模型的节点风荷载值，从源头上避免数据提取的误差以及数据转换的误差，能够科学的得到骨架外露网格结构的风荷载值。
附图说明
图1为本发明实施例的骨架外露网格结构的三维模型结构示意图。
图2为本发明实施例的骨架外露网格结构的二维线性模型结构示意图。
图3为本发明实施例的三维模型的面单元的最近点对应于二维线性模型的最近线单元的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图1为本发明实施例的骨架外露网格结构的三维模型结构示意图、图2为本发明实施例的骨架外露网格结构的二维线性模型结构示意图、图3为本发明实施例的三维模型的面单元的最近点对应于二维线性模型的最近线单元的示意图。
参照图1至图3所示，本发明提供了一种骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，包括以下步骤：
S1：建立网格结构的三维模型1和二维线性模型2。
具体的，建立骨架外露网格结构的三维模型和二维线性模型。
骨架外露网格结构的三维模型是用于CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)风荷载计算的三维模型，骨架外露网格结构的二维线性模型是用于结构计算的二维线性模型。
骨架外露网格结构的三维模型，利用有限元分析简化为线模型的结构有限元模型(即骨架外露网格结构的二维线性模型)。骨架外露网格结构的二维线性模型只有线与线两端的点组成，另外还有约束和荷载。
S2：将三维模型的网格结构表面划分为多个面单元并获取所述面单元的形心。
具体的，步骤S2包括：
S21、设置数值风洞计算域，将骨架外露网格结构值设置于计算域之内，并保证阻塞率小于4％，满足数值风洞计算要求。
数值风洞，就是在计算机上做风洞试验。它基于计算流体动力学(CFD)原理，选择合适的空气湍流数学模型，再结合一定的数值算法和图形显示技术，能够将“风洞”结果形象、直观地显示出来。相比于传统的模型试验方法，数值风洞计算周期短、价格低廉、数据信息丰富、并且可方便模拟各种不同情况。
S22、对数值风洞计算域进行网格划分，以获得骨架外露网格结构的面单元(面网格)。
S23、获取每个面单元的形心。
参阅图3所示，面单元Em为图1的骨架外露网格结构的表面划分的多个面单元里面的某一非特定单元。
在本实施例中，面单元Em为规则的四边形。
在一些实施方式中，面单元可以是不规则四边形也可以是三边形。
面单元Em的形心Cm就是这个面单元的行心，跟平面几何中三角形形心定义一样的。对于非规则四边形，形心的获取等同于均匀厚度与密度非规则四边形的重心。
在本实施例中，可以借助grasshopper编制电池流程图自动实现。这里的电池流程图也是一种可视化的编程方式，即一段程序。
S3：获取形心Cm到面单元Em中的所有线单元的最近点的点集。
线单元，在本实施例中为双节点线性线单元，线单元就是一条线段包括2个端点。
S4：基于点集中的所有的点与形心的距离，将点集中的所有点排序以获得点集中距离形心的最近点C’m。
S5：获取最近点C’m对应于二维线性模型上的最近线单元。
当在三维模型上获取到离面单元Em的形心最近的最近点C’m之后，判断三维模型中的最近点C’m是对应在二维线性模型的哪个线单元。
在本实施例中，在的二维线性模型中，最近点C’m所在的线单元即最近线单元(Ni、Nj)，最近线单元的两端的端点分别为端点Ni和端点Nj。
S6：计算获得最近线单元的两端点中与最近点的距离最近的一近端点Nj。
S7：以三向力表示面单元的风荷载，将三向力转换为近端点Nj的六分量力，并对所有面单元的近端点的六分量力求和以获得骨网格结构的风荷载。
面单元的风荷载由Fmx、Fmy、Fmz三向力表示，三向力计算公式为：
Fmx＝Am·nmx·pm；
Fmy＝Am·nmy·pm；
Fmz＝Am·nmz·pm；
其中，nmx、nmy、nmz为面单元归一化法向矢量，Am为面单元的面积，Pm为面单元的风压值。
将三向力转换为近端点的六分量力的转换计算公式为：
其中，C′m为最近点，Nj为近端点，Ni为最近线单元中与近端点相对的一端点，为所述面单元的风荷载三向力转换到近端点的六分量力，/>为转换矩阵，dx、dy、dz为最近点至近端点的距离矢量。
用上述的公式来求所有的面单元上的荷载向节点的转换及求和，因为风荷载是作用在结构的表面的，结构是三维的，所以，结构分析模型需要简化成点线的二维线性模型，因此需要把面单元上的荷载转到点线的二维线性模型的点上去以形成一个等效的分析模型。
本发明的骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法运用数值风洞模拟方法模拟风荷载与取值，该方法能完整的提取骨架外露网格结构的风荷载并且提供将风荷载转换为二维线性模型的节点风荷载值，从源头上避免数据提取的误差以及数据转换的误差，能够科学的得到骨架外露网格结构的风荷载值。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。

Claims (3)

1.一种骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立网格结构的三维模型和二维线性模型，所述二维线性模型为利用有限元分析将所述三维模型简化为线模型的结构有限元模型；
将所述网格结构的三维模型划分为多个面单元并获取所述面单元的形心；
获取所述形心到所述面单元中的所有线单元的最近点的点集；
基于所述点集中的所有的点与所述形心的距离，将所述点集中的所有点排序以获得所述点集中距离所述形心的最近点；
获取所述最近点对应于所述二维线性模型的所述最近点所在的最近线单元；
计算获得所述最近线单元的两端点中与所述最近点的距离最近的一近端点；
以三向力表示所述面单元的风荷载，将所述三向力转换为所述近端点的六分量力，并对所有所述面单元的所述近端点的六分量力求和以获得所述骨网格结构的风荷载。
2.根据权利要求1所述的骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，其特征在于，所述面单元的风荷载由Fmx、Fmy、Fmz三向力表示，所述三向力计算公式为：
Fmx＝Am·nmx·pm；
Fmy＝Am·nmy·pm；
Fmz＝Am·nmz·pm；
其中，nmx、nmy、nmz为所述面单元归一化法向矢量，Am为所述面单元的面积，Pm为所述面单元的风压值。
3.根据权利要求2所述的骨架外露网格结构的风荷载模拟与取值方法，其特征在于，将所述三向力转换为所述近端点的六分量力的转换计算公式为：
其中，C′m为所述最近点，Nj为所述近端点，Ni为所述最近线单元中与所述近端点相对的一端点，为所述面单元的风荷载三向力转换到所述近端点的六分量力，/>为转换矩阵，dx、dy、dz为所述最近点至所述近端点的距离矢量。
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大跨度镂空网格结构风荷载研究;崔家春 等;《建筑结构》;全文 *

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