中型邮轮玻璃幕墙结构风致振动分析.pdf
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1、第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 中型邮轮玻璃幕墙结构风致振动分析巫鹏)朱玥)葛珅玮)甘进)吴卫国)(武汉理工大学船海与能源动力工程学院)武汉 )(招商局邮轮制造有限公司)南通 )(武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心)武汉 )摘要:文中通过C F D仿真获得全船流场信息,将
2、玻璃幕墙结构的风压荷载作为输入,采用有限元仿真分析中型邮轮在不同速度及角度行驶过程中玻璃幕墙区域的流场特性和振动特性数值计算结果表明:在全船流场影响下,玻璃幕墙的迎风面与结构角隅处压力较大;随着速度增大,玻璃幕墙结构的振动位移逐渐增大;当风速恒定时,风向角与 风向角的振动位移较大;当风向角与速度恒定时,顶层与底层玻璃幕墙结构的振动位移较大关键词:邮轮;玻璃幕墙;风致振动;流固耦合;数值仿真中图法分类号:T B d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:巫鹏(),男,硕士生,主要研究领域为船舶与海洋工程结构振动与声辐射通信作者:甘进(),男,博士,教授,主要研究领域为船舶与海洋工程结
3、构安全性与可靠性基金项目:工业和信息化部高技术船舶项目(MC C )引言玻璃幕墙作为邮轮上一个极具特色的结构,在观赏性和舒适性上都要符合振动标准,使人们的舒适性达到最佳邮轮在行驶过程中受到海风的影响,会产生振动,影响乘客的舒适性,因此必须对邮轮的玻璃幕墙进行风致振动分析目前,针对邮轮玻璃幕墙的风致振动问题的研究不多,参考建筑、汽车等其他领域的风致振动研究,发现要计算某个结构的风致响应,风荷载的获取至关重要 S w a d d i w u d h i p o n g等使用L E S和R AN S两种方法分别计算高层建筑的风荷载,并基于随机振动理论来估算动力响应 H o u等通过求解建筑物在风荷载
4、作用下的纵向、横向及扭转方向的运动方程来求解建筑物的动力响应H o u等利用截面模型试验中提取的空气动力特性来预测C AA R C建筑模型的风致振动,将气动特性代入运动控制方程,可以得到动力响应的时程 H a n等通过C F D模拟了中国厅式木结构建筑的风压系数,生成时间序列的风压,采用有限元法分析其风致振动性能国内对许多建筑也采取缩尺模型试验的方法进行风致振动研究李小康等以广州西塔的刚性模型多点同步测压风洞试验为背景,采用相干函数方法(C FM)计算并替代气动力谱矩阵的互谱密度进行了风致响应计算李寿英等以重庆宾馆为背景,采用风洞试验的脉动风压时程数据,进行高阶风致响应研究,得到了建筑顶部的位
5、移响应和加速度响应,并进行了人体舒适度验算针对玻璃幕墙的风致振动分析方法,杨明基于中国 荷载规范、荷载规范和日本 荷载规范计算了高层建筑玻璃幕墙的设计风压,并与风洞试验结果进行对比,发现规范计算得到的结果不太合理龚洁通过平均风特性、脉动风特性两个大气边界层风特性获取了点支式建筑玻璃幕墙表面的风压特性,结合风致响应计算理论,根据风荷载风振系数获得了玻璃幕墙的风致应力,得到了一种新的高效率的点支式建筑玻璃幕墙风致应力的检测方法朱丙虎等对航海博物馆玻璃幕墙索网结构进行了风致响应频域分析方法研究,讨论了脉动风作用下结构的风致响应计算理论、静力等效风荷载的表达、计算风致响应时结构参振模态数的确定等问题陶
6、莉莉等 采用流固耦合计算的方法对客车聚乙烯醇缩丁醛(P V B)夹层风窗玻璃进行了数值模拟计算,得到了客车在高速行驶中风窗玻璃的风致振动特性,及厚度变化对风窗玻璃变形和应力的影响规律,发现厚度减小,风压变形明显增大,但应力变化不规律邮轮在行驶过程中受到全船流场的影响,玻璃幕墙区域会产生复杂的流场的压力分布和流速变化因此,本文通过C F D仿真方法获得全船的流场信息,提取玻璃幕墙区域的压力场荷载作为输入,使用有限元方法分析了玻璃幕墙结构的振动特性并在不同风速、风向角下分析玻璃幕墙区域流场及振动特性,得到了这两个因素对玻璃幕墙结构的流场及振动特性的影响整船风场数值计算 流体计算模型中型邮轮的全尺度
7、简化几何模型见图x沿船艏为正,y沿左舷为正,z沿垂向向上为正模型长L m,宽B m,吃水d m,空船重量为 t,载客量为 人,属于典型的中型豪华邮轮在不影响计算精度的前提下,对邮轮上层建筑进行了一定的简化,且只考虑风荷载对结构的影响,所以选择邮轮吃水 m以上的模型进行流场分析图全船几何模型示意图建立 风向角分析模型计算域(见图),计算域入口与邮轮船首之间的距离为L,计算域出口与邮轮船尾之间的距离为L,计算域入口z方向最高点与邮轮顶部之间的距离为 L,计算域两侧与邮轮舷侧之间的距离分别为L,可以满足计算要求选取相同的加密区域对网格的大小分别进行划分计算,选择,m作为基础网格,分别乘以相同的系数来
8、确定加密区域的网格尺寸,进行 风向角 m/s工况的流场计算,经过对比论证后选出最佳网格加密方式图 风向角分析模型计算域示意图选择玻璃幕墙区域局部压力最大值作为判断依据,经分析可以得到四种加密方式的计算结果,见图待结果稳定后,从第 迭代步开始对分析结果取平均值,并基于m基础网格的计算结果与计算时间,对,m的工况与m工况之间的精度差与计算效率提升进行对比,见表图不同网格尺度的压力值表不同网格尺度计算精度与计算效率基础网格尺寸/m计算精度差/计算效率提升/由表可知:m的加密方式与m的加密方式之间的精度差仅有 ,而计算效率提升了 ,因此本文将选择m的基础网格进行计算域网格加密计算域体网格划分见图计算域
9、中网格最大尺寸为 m,为精确模拟全船的流场,在船舶附近及船尾以后区域建立三层网格加密区域,加密区网格尺寸为,m邮轮表面边界层共层,总厚度为 m,最终生成的体网格数量约为 万图计算域网格划分示意图湍流模型选择K E p s i l o n湍流模型对流场进行初始化求解,待流场稳定后开始输出玻璃幕墙表面的压力信息流场边界条件设置与求解器设置见表第期巫鹏,等:中型邮轮玻璃幕墙结构风致振动分析表边界条件设置边界位置边界条件设置值计算域入口速度入口/(ms)、计算域出口压力出口/P a模型表面、计算域底面壁面计算域顶面、侧面对称面 流体数值计算结果经过分析,流场稳定后玻璃幕墙区域的风场表求解器设置设置项设
10、置时间离散格式定常流体属性恒密度气体湍流模型K E p s i l o n计算结果见图由图可知:受到全船流场的影响,玻璃幕墙区域的迎风面与结构角隅处压力较大从图中也图不同工况玻璃幕墙压力分布云图可以看出,随着速度的增大,玻璃幕墙区域局部风压的最大值也逐渐增大而风向角改变会使邮轮玻璃幕墙区域的压力分布产生明显变化,因此进行玻璃幕墙结构风致振动分析时,采用C F D计算得到的风荷载将更加真实玻璃幕墙结构风致振动分析 有限元计算模型经网格收敛性检验,兼顾计算效率,发现玻璃幕墙结构可采用 m的壳单元进行划分,该单元尺寸满足计算精度要求根据邮轮全船几何模型,选择玻璃幕墙区域作为分析对象,由于玻璃幕墙的厚
11、度远小于长度和宽度,因此选择s h e l l壳单元作为单元类型对玻璃结构进行离散,选择b a r单元作为单元类型对铝合金框架进行离散,结合上述分析进行结构网格划分得到有限元计算模型,见图图玻璃幕墙结构有限元模型在风致载荷作用下,将玻璃幕墙视为各向同性弹性材料邮轮玻璃幕墙材料参数如下:弹性模量为 P a,泊松比为 ,密度为 k g/m,厚度为 mm,阻尼系数为 铝合金框架材料参数如下:弹性模量为 P a,泊松比为 ,密度为 k g/m根武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷据邮轮实际情况,玻璃幕墙结构与框架连接,但本次研究主要关注玻璃结构,因此对其进行简化求解,故边界条件取为四边固支,见
12、图图玻璃幕墙结构边界示意图在进行玻璃幕墙区域的风致振动特性分析时,最主要的是得到玻璃幕墙区域的受力情况,因而将建立的玻璃幕墙有限元模型导入到流体计算软件S T A R C CM中,进行数据映射,将流体计算得到的压力分布结果映射到有限元模型上,然后提取有限元模型的压力映射结果,将其施加在有限元模型上,从而进行风致振动特性分析 风向角、m/s工况的荷载施加结果见图图 风向角、m/s工况工况荷载施加示意图自然风可以看作由平均风和脉动风叠加而成,因此需要考虑脉动风对玻璃幕墙结构的作用海上环境复杂,根据规范将地表粗糙类型按A类地貌参考,地面粗糙度系数K取 ,模拟样本点数取 ,总时长为 s,时间步长设为
13、s 使用谐波叠加法和D a v e n p o r t谱来模拟脉动风,在M a t l a b中编写对应程序,可获得脉动风速时程曲线,见图图脉动风速时程曲线在结构计算软件的瞬态动力学模块对玻璃幕墙结构进行动力响应分析时,需要将不同速度下的脉动风速转化为相应的风压施加到玻璃幕墙结构表面,所以按文献 的处理方法将脉动风速时程曲线转化为风压时程曲线,见图 图 风压时程曲线由图 可知:脉动风速时程曲线的幅值在零值附近上下波动,并且当计算风速改变时,相对应的脉动风速时程曲线和风压时程曲线也会发生改变随着计算风速的增大,风压时程曲线的幅值也会增大将获得的时程风压结果导入结构计算软件中,载荷施加方式按时间步
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