CN113139350B - 台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，该方法包括：1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；4)实现中小尺度流场信息耦合；5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。本发明方法实现从工程场地气象大尺度、城市风环境中尺度到建筑结构小尺度的风效应数据信息耦合传递，有利于提高建筑结构抗台风灾害水平。

Description

台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构抗风技术，尤其涉及一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法。

背景技术

现代城市建筑越来越向着更高、更轻以及跨度更大的方向发展,给结构设计人员造成了更加艰巨的挑战。对于大跨薄膜和高耸悬臂等结构，由于刚度较小，其在强风作用下常发生较大位移，而发生位移后的结构空间状态又会影响周围流场和气压分布。在极端强风条件如台风持续作用下，这些柔性结构与大气流场的耦合现象非常明显，较大的结构位移反应会影响结构承载力并发生破坏。因此，有必要在这类结构的抗台风设计中考虑流固耦合效应。

目前工程实践主要依靠现场实测、风洞试验以及CFD仿真技术开展结构流固耦合问题研究，其中利用CFD技术进行瞬态流体-结构耦合分析已经受到工程实践和学术研究的广泛关注。国内外已有许多学者开始利用CFD瞬态分析技术开展建筑结构流固耦合效应分析，但目前该类仿真技术在结构抗台风设计方面极为缺乏，主要有以下几点不足：(1)现有计算方法一般分别采用基于有限体积法的流体求解器和有限元固体求解器分别求解结构风压和位移，计算过程较为复杂，需要花费大量时间在CFD网格划分和耦合步骤上，严重影响工程实践应用效率；(2)以往的流固耦合仿真技术仅考虑结构位和理想大气流场的相互影响，未考虑真实台风气象条件与结构流场的耦合作用；(3)过境台风变化复杂，直接影响工程场地风场特性，同时场地周边建筑也会影响目标建筑附近流场，现有计算方法未能充分考虑实际台风作用和场地干扰建筑对目标建筑风压分布的共同影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷，提供一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，包括以下步骤：

1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；

2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；

3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；

4)利用WRF风场信息指定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；

5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。

按上述方案，步骤2)具体包括以下子步骤：

2.1)根据历史台风发生的气象数据和GIS地形地貌数据，设置四层嵌套网格计算域，启动单向网格嵌套模拟，其中目标建筑区域位于最内层网格计算域中心；

2.2)设置多种描述大气物理变化过程的参数，进行台风路径强度模拟；

2.3)针对包含目标建筑位置的场地，基于WRF最内层网格计算域进行近地面台风风场模拟。

2.4)基于NCL程序脚本批量处理台风风场数据，处理最内层网格嵌套域的三维风速和湍流场信息。

按上述方案，步骤2)中四层嵌套网格计算域的网格水平精度依次为36km、12km、4km和1.333km。

按上述方案，所述步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)根据WRF最内层网格计算域中心进一步确定CFD计算流域范围，确定城市干扰建筑物几何尺寸；

3.2)初始设置XFlow软件；

3.3)设置计算流域尺寸为矩形，根据目标建筑物的特征长度和建筑高度设置参考尺寸，导入干扰建筑物的几何模型，设置干扰建筑物的Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，不设置结构耦合；

3.4)导入与有限元分析模型几何坐标位置一致的目标建筑几何模型，设置Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，structural coupling设置为two way，对其表面网格尺度进行加密，精细化计算建筑物表面流场。

按上述方案，所述步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)根据GIS地理信息数据，提取与XFlow三维模型范围重合的WRF空间网格点的经纬度坐标信息，提取WRF计算域中粗网格点的三维时变平均风速和湍流动能信息，然后根据湍流动能和平均风速估算每个XFlow网格点湍流强度信息；

4.2)根据时空坐标，将提取的边界处WRF网格点风速和湍流强度信息进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值计算XFlow细网格边界面上平均风速和湍流强度信息；

4.3)根据时间和三维空间坐标，提取不同高度的内部WRF网格点进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值得到XFlow内部场的平均风速信息。

按上述方案，所述步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)在XFlow软件中设置与有限元分析模型相同的模拟时长，设置时间积分步长、网格细分尺度以及结果输出设置选项；

5.2)采用分区求解法，通过定义气固耦合面，将有限元分析模型分析得到的结构位移传递给XFlow，然后将XFlow分析得到的风压信息传递给有限元分析模型，以此反复循环，直到完成所需的耦合分析；

5.3)计算完毕后处理布置结构表面探测点，分析结构表面风压和振动位移结果。

按上述方案，所述步骤1)中利用Abaqus软件建立结构有限元分析模型。

按上述方案，所述步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)对三维建筑几何模型进行简化分析，确定几何尺寸和材料力学属性，建立结构有限元模型，定义有限元结构材料、单元属性和边界条件；

1.2)启动结构模态分析选项，确定结构自振频率和振型分布特征，处理结构自振特性信息；

1.3)启动动力显式分析选项并确定时间分析时长，创建需要耦合风荷载和结构动位移的面集合并定义流体-结构联合仿真接触面；

1.4)导出有限元模型INP脚本文件并人为添加流固耦合接触面信息，同时基于有限元分析模型导出目标建筑模型的STL格式几何文件。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明利用参数化建模技术建立城市建筑三维模型，基于新一代计算流体力学软件XFlow快速建立城市级建筑结构流体分析模型，不需要进行手动网格划分，工作效率得到极大提升。

2、本发明在处理WRF风场和CFD风场耦合时，考虑了初始和边界条件位置的平均风速和湍流强度信息耦合，相比于已有的多尺度模拟方法，其耦合性更接近真实情况，考虑了来自WRF流场的湍流特性，能够更加精细地考虑台风特殊气象条件对局部城市风场结构的影响，避免了依赖经验公式确定实际台风的湍流特性。

3、本发明在建立城市级三维流体分析模型时，对目标建筑物进行了网格加密处理，同时评估了台风气象和真实建筑物干扰对目标建筑物附近流场的影响，更加精细地模拟了建筑结构的流固耦合过程，对于准确评估建筑结构在台风气象下的性能具有重要意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的体育场及周边建筑模型示意图；

图3是本发明实施例的体育场结构有限元模型示意图；

图4是本发明实施例的WRF多层嵌套网格计算域示意图；

图5是本发明实施例的飓风Harold影响下目标场地10米高度风场矢量云图；

图6是本发明实施例的考虑城市干扰建筑的体育场三维流体分析模型示意图；

图7是本发明实施例的WRF与XFlow不同尺度网格流场耦合示意图；

图8是本发明实施例的台风作用下体育场结构风速云图；

图9是本发明实施例的台风作用下体育场结构风致位移云图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的不足和改进需求，本发明提供了基于天气预报WRF(WeatherResearch and Forecasting)、新一代无网格计算流体力学XFlow和Abaqus有限元模型的多尺度流固耦合计算方法，该方法能够支持基于程序语言的二次开发，参数化建立WRF区域风场模型、CFD(Computational Fluid Dynamics)城市三维流体模型以及目标建筑有限元分析模型，实现从工程场地气象大尺度、城市风环境中尺度到建筑结构小尺度的风效应数据信息耦合传递，真实评估台风气象与实际场地干扰作用对目标建筑结构表面风压的影响，有利于提高沿海建筑结构抗台风灾害水平。

如图1所示，一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，该方法包括以下步骤：

1)利用Abaqus软件建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；

1.1)对三维建筑几何模型进行简化分析，确定几何尺寸和材料力学属性，基于Abaqus非线性分析软件建立结构有限元模型，定义有限元结构材料、单元属性和边界条件。

1.2)启动结构模态分析选项，确定结构自振频率和振型分布特征，处理结构自振特性信息。

1.3)基于Abaqus结构有限元模型，启动动力显式分析选项并确定时间分析时长不小于10分钟，创建需要耦合风荷载和结构动位移的面集合并定义流体-结构联合仿真接触面；

1.4)导出有限元模型INP脚本文件并人为添加流固耦合接触面信息，同时基于Abaqus有限元模型导出目标建筑模型的STL格式几何文件；

2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；

2.1)根据历史台风发生的时间日期，下载气象数据和GIS地形地貌数据，设置四层嵌套网格计算域，启动单向网格嵌套模拟，四层嵌套网格的水平精度依次为36、12、4和1.333km，其中目标建筑区域位于最内层网格计算域中心；

2.2)设置多种描述大气物理变化过程的参数，进行台风路径强度模拟；

2.3)针对包含目标建筑位置的场地，基于WRF最内层网格计算域进行近地面台风风场模拟。

2.4)基于NCL程序脚本批量处理台风风场数据，处理最内层网格嵌套域的三维风速和湍流场信息。

3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和其他城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；

3.1)根据WRF最内层网格计算域中心进一步分析目标区域，确定计算域流场以及城市干扰建筑物几何尺寸。

3.2)打开XFlow软件并创建新的工程项目，将XFlow计算内核设置为3d，设置Freemodel为Single phase，分析类型为External，温度模型为Isothermal。设置大涡模拟湍流模型为Smagorinsky，湍流生成方法设置为custom，设置initial turbulence scale以及number of harmonics。定义流体材料属性，启动高级选项，设置Structural Analysis为Abaqus。

3.3)设置计算流域尺寸为矩形，参考尺寸为(6km+5L)*(6km+5L)*11H，其中L为目标建筑物的特征长度，H为建筑高度。导入干扰建筑物的几何模型，设置干扰建筑物的Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，不设置结构耦合。

3.4)导入与有限元分析模型几何坐标位置一致的目标建筑几何模型，设置Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，structural coupling设置为two way，对其表面网格尺度进行加密，精细化计算建筑物表面流场；

4)利用WRF风场信息指定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；

4.1)根据GIS地理信息数据，提取与XFlow三维模型范围重合的WRF空间网格点的经纬度坐标信息，编写NCL程序脚本提取WRF计算域中粗网格点的三维时变平均风速和湍流动能信息，然后根据湍流动能和平均风速估算每个网格点湍流强度信息。

4.2)根据时空坐标，将提取的边界处WRF网格点风速和湍流强度信息进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值计算XFlow细网格边界面上平均风速和湍流强度信息。

4.3)根据时间和三维空间坐标，提取不同高度的内部WRF网格点进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值得到XFlow内部场的平均风速信息；

5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析；

5.1)在XFlow软件中设置与有限元动力分析模型一样的模拟时长(不小于10分钟)，设置时间积分步长、网格细分尺度以及结果输出设置选项；

5.2)在设置好XFlow和Abaqus相关参数后，启动Abaqus和XFlow的联合仿真模块。采用分区求解法，通过定义气固耦合面，将Abaqus分析得到的结构位移传递给XFlow，然后将XFlow分析得到的风压信息传递给Abaqus有限元模型，以此反复循环，充分利用两者分析能力的优势，相互传递信息，直到完成所需的耦合分析。

5.3)计算完毕，后处理布置结构表面探测点，分析结构表面风压和振动位移结果。

下面列举一个实施案例：

针对台风作用下某体育场结构抗风分析为例，具体实施步骤如下：

1)利用Abaqus软件建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析。

1.1)通过前期方案比选，确定体育场建筑的结构模型。提取大跨膜结构几何文件，导入Abaqus软件建立有限元模型，根据所用膜材选定材料的弹膜和泊松比，采用M3D4膜单元，根据结构的约束条件确定柱底为固定边界条件。

1.2)采用Abaqus软件进行模态分析，一方面得到结构的自振特性，另一方面通过变形模态检查有限元模型的准确性。前十阶的自振频率的范围为2.13Hz～2.35Hz。

1.3)启动动力显式分析选项，确定时间分析时长为10分钟，结合规范选取结构阻尼比为0.02。创建需要耦合风荷载和结构动位移的面集合，定义流体-结构联合仿真接触面；

1.4)创建JOB文件后导出有限元模型INP脚本文件，修改该文件并植入流固耦合接触面信息，同时基于Abaqus有限元模型导出目标建筑的STL格式几何文件。

2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；

2.1)基于WRF模式设置四层固定嵌套网格计算域，对历史飓风进行单向嵌套模拟(计算域示意图如图4所示)。网格计算域的水平网格精度分别为36km、12km、4km和1.333km，水平网格数量分别为143×96、205×154、226×172和247×232，垂直方向采用拉伸网格，对近地面高度进行局部加密，一共划分65层，设置最外层网格计算域的时间积分步长为120s，设置时间积分步长嵌套比为3。

2.2)为考虑实际台风结构与大气环境场的复杂相互作用过程，模拟算例激活了大气微物理方案、边界层方案、积云方案、辐射方案和陆面方案等参数化方案。其中微物理方案采用WSM6高精度模拟方案，辐射方案采用RRTM长波方案和Dudhia短波方案，针对4km精度以上的网格计算域采用Kain-Fritsch积云方案，采用Hong-Shin边界层方案，用于求解大气边界层湍流结构。采用最外两层网格计算域(36km和12km)进行台风路径强度模拟。

2.3)考虑到2020年4月1日～3日飓风Harold最接近索罗门群岛，采用最内两层网格计算域对该时段的近地面风场进行模拟。其中物理参数方案保持不变，地形地貌数据采用1km精度，大气初始和边界条件来自外两层计算域的模拟结果(36km和12km)。

2.4)编写NCL程序脚本分析不同网格计算域中风场和湍动能模拟结果，绘制最内网网格计算域的10米高度风场模拟结果如图5所示。

3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑文件和其他城市干扰建筑几何STL文件，建立城市三维流体分析模型；

3.1)确定计算域流场以及城市干扰建筑物几何尺寸，流域尺寸为6720×6720×286米，采用犀牛软件Rhino参数化地建立干扰建筑几何尺寸。

3.2)将XFlow计算内核设置为3d，设置Free model为Single phase，分析类型为External，温度模型为Isothermal。设置大涡模拟湍流模型为Smagorinsky，湍流生成方法设置为custom，设置initial turbulence scale以及number of harmonics。定义流体材料属性，启动高级选项，设置Structural Analysis为Abaqus。

3.3)设置计算流域尺寸为矩形，导入干扰建筑物的几何尺寸，设置干扰建筑物的Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，不设置结构耦合。基于XFlow的城市三维流体分析模型如图6所示。

3.4)导入与有限元分析模型几何坐标位置一致的目标建筑几何模型，设置Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，structural coupling设置为two way，对其表面网格尺度进行加密，设置最小网格尺度为0.2米。

4)利用WRF风场信息指定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；

4.1)根据GIS地理信息数据，提取与图6所示的索罗门城市三维模型范围重合的WRF空间网格点的经纬度坐标信息，编写NCL程序脚本提取WRF计算域中粗网格点的三维时变平均风速U和湍动能信息k，其中湍流强度信息根据如下公式计算得到：

4.2)根据时间t和二维空间坐标(y,z)或者(x,z)，将提取的边界处WRF网格点风速和湍流强度信息进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果计算XFlow细网格边界面上平均风速和湍流强度信息。

4.3)根据时间t和三维空间坐标(x,y,z)，对高度方向(z)上提取的内部WRF网格点进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值得到XFlow内部场的平均风速信息。

5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区求解法的双向流固耦合分析。

5.1)在XFlow软件中设置模拟时长为10分钟，积分步长采用Fixed automatic，Courant数设为1。结构附近网格尺度设为0.625m，远离结构区域设置为20m。整体计算结果的输出频率设为20Hz，并且在结构表面设置测点，在每个积分步输出测点的计算结果。

5.2)打开windows SHELL窗口，启动Abaqus和XFlow的联合仿真模块，便于两个软件实现风压信息和结构位移信息的双向耦合传递。

5.3)通过Abaqus和XFlow后处理分析，可以得到台风作用下膜结构表面的流场分布(见图8)以及膜结构的振动位移(见图9)。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；

2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；

3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；

4)根据WRF风场信息确定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；

具体包括以下步骤：

4.1)根据GIS地理信息数据，提取与XFlow三维模型范围重合的WRF空间网格点的经纬度坐标信息，提取WRF计算域中粗网格点的三维时变平均风速和湍流动能信息，然后根据湍流动能和平均风速估算每个XFlow网格点湍流强度信息；

4.2)根据时空坐标，将提取的边界处WRF网格点风速和湍流强度信息进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值计算XFlow细网格边界面上平均风速和湍流强度信息；

4.3)根据时间和三维空间坐标，提取不同高度的内部WRF网格点进行二维曲面拟合，然后根据拟合结果插值得到XFlow内部场的平均风速信息；

5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析；

5.1)在XFlow软件中设置与有限元分析模型相同的模拟时长，设置时间积分步长、网格细分尺度以及结果输出设置选项；

5.2)采用分区求解法，通过定义气固耦合面，将有限元分析模型分析得到的结构位移传递给XFlow，然后将XFlow分析得到的风压信息传递给有限元分析模型，以此反复循环，直到完成所需的耦合分析；

5.3)计算完毕后处理布置结构表面探测点，分析结构表面风压和振动位移结果。

2.根据权利要求1所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)根据历史台风发生的气象数据和GIS地形地貌数据，设置四层嵌套网格计算域，启动单向网格嵌套模拟，其中目标建筑区域位于最内层网格计算域中心；

2.2)设置多种描述大气物理变化过程的参数，进行台风路径强度模拟；

2.3)针对包含目标建筑位置的场地，基于WRF最内层网格计算域进行近地面台风风场模拟；

2.4)根据台风风场数据，获得最内层网格嵌套域的三维风速和湍流场信息。

3.根据权利要求2所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，步骤2)中四层嵌套网格计算域的网格水平精度依次为36km、12km、4km和1.333km。

4.根据权利要求1所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，步骤3)中具体包括以下步骤：

3.1)根据WRF最内层网格计算域中心进一步确定CFD计算流域范围及城市干扰建筑物几何尺寸；

3.2)初始设置XFlow软件；

3.3)设置CFD计算流域尺寸为矩形，根据目标建筑物的特征长度和建筑高度设置参考尺寸，导入干扰建筑物的几何模型，设置干扰建筑物的Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，不设置结构耦合；

3.4)导入与有限元分析模型几何坐标位置一致的目标建筑几何模型，设置Behaviour为Fixed，边界条件为Wall，structural coupling设置为two way，对其表面网格尺度进行加密，精细化计算建筑物表面流场。

5.根据权利要求1所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，所述步骤1)中利用Abaqus软件建立结构有限元分析模型。

6.根据权利要求1所述的台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)对三维建筑几何模型进行简化分析，确定几何尺寸和材料力学属性，建立结构有限元模型，定义有限元结构材料、单元属性和边界条件；

1.2)启动结构模态分析选项，确定结构自振频率和振型分布特征，处理结构自振特性信息；

1.3)启动动力显式分析选项并确定时间分析时长，创建需要耦合风荷载和结构动位移的面集合并定义流体-结构联合仿真接触面；

1.4)导出有限元模型INP脚本文件并人为添加流固耦合接触面信息，同时基于有限元分析模型导出目标建筑模型的STL格式几何文件。

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