薄膜结构与风的流固耦合作用
薄膜结构的风致动力效应初探
［ 键词］ 薄膜结构 ； 关 自振 特 性 ； 致 效 应 ； 力 稳 定性 风 动
薄膜 结 构 的风 致 动 力效 应 初 探
杨 庆
（ 方 交 通 大 学 土 木 建 筑 工 程 学 院 ， 北 京 １ ０ ４ ） 北 ０ ０ ４
［ 摘 要 ］ 由 于 自重 轻 、 度 小 、 度 大 且 具 有 对 风 荷 栽 的敏 感 性 ， 膜 结 构 可 能 会 在 风 荷 栽 刚 跨 薄 作 用 下发 生破 坏 ， 风 致 动 力 效 应是 从 事 薄 膜 结 构 研 究 和 工 程 实践 人 员 关 心 的 问题 。 文 主 要 其 本
显 得 更加 迫 切 。
目前 膜 结构 在 国外 已得 到 了大 范 围的应 用 ， 已证 明了其 作 为永 久性 大 跨建 筑 的 可行 性 。 且
［ 稿 日期 ］ ２ ０ —８２ 收 ０ ２０ —５ ［ 金 项 目］ 国家 自然 科 学 基 金 重 大 项 目 （ ９ ９４ ０ 及 高 等学 校 优 秀 青 年 教 师 教 学 与科 研 奖 励 计 划 资 助 基 ５８５ １）
结构 ； 当覆 盖 面积更 大时 可将 结构 设计 为许 多较 小 的 整体 式 张拉 薄膜 单 元 或 索一 组 合 单元 的 膜
组 合 。当然 如前 所 述这 种 组合 结 构 的采 用 有 时 是建 筑 功 能 和造 型 上 的 要求 ， 非 结构 上 的必 而
需。
风力发电机组叶片流固耦合分析研究
风力发电机组叶片流固耦合分析研究风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了越来越多的关注和应用。
而风力发电机组中的叶片是转化风能为电能的重要部件之一。
因此，对风力发电机组叶片进行流固耦合分析的研究具有重要意义。
在传统的风力发电机组中，叶片往往是由一种特殊材料制成的。
这种叶片的主要作用是将风的动能转化为机械能，并通过发电机将机械能转化为电能。
但是，传统的叶片设计中往往只考虑了叶片的结构强度和 aerodynamic效果，没有充分考虑流场和叶片之间的相互作用。
而这种相互作用正是流固耦合分析需要关注的内容。
对于风力发电机组的叶片，流固耦合分析的研究可以从多个角度进行。
首先，可以对叶片进行力学分析，研究在风的作用下叶片所受的应力分布情况。
通过这种分析，可以优化叶片的结构设计，提高叶片的强度和稳定性。
其次，还可以对叶片的 aerodynamic效果进行分析。
通过对叶片表面流场的模拟，可以研究和优化叶片的设计，提高叶片的 aerodynamic性能，增强风力发电机组的发电效率。
在流固耦合分析中，数值模拟是一种常用的研究方法。
通过建立叶片的数值模型，并运用计算流体力学（CFD）软件和有限元分析（FEA）软件，可以对叶片的流场和结构进行模拟和分析。
这种方法可以帮助研究人员更好地理解和掌握叶片的流固耦合特性，为叶片的优化设计提供有力的支持。
除了数值模拟，实验研究也是流固耦合分析的重要手段之一。
通过在实验室中搭建风力发电机组的试验台，可以对叶片在实际工作条件下的流固耦合行为进行观测和分析。
这种方法可以帮助研究人员验证数值模拟结果的准确性，并对叶片的设计进行实际测试。
在进行流固耦合分析时，还需要考虑叶片的工作环境和使用寿命等因素。
因为风力发电机组常常在恶劣的工作环境下使用，如高风速、多变的风向等。
这些因素会对叶片的力学性能和 aerodynamic特性产生影响。
因此，在流固耦合分析中需要考虑这些因素，并将其纳入到分析模型中。
(完整版)5流固耦合
第五章 轴流泵的流固耦合5-1 流固耦合概论流固耦合问题一般分为两类，一类是流‐固单向耦合，一类是流‐固双向耦合。
单向耦合应用于流场对固体作用后，固体变形不大，即流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的，可以使用流固单向耦合。
先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上。
典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小，对绕流不产生影响。
当固体结构变形比较大，导致流场的边界形貌发生改变后，流场分布会有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流场的影响，即双向耦合。
比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达到5 米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是因为两者相互影响产生的。
因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。
下面简单介绍其理论基础。
连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的，在固定产考坐标系下，它们可以被表达为质量、动量守恒形式:()0v tρρ∂+∇⋅=∂ (1) ()B v vv f tρρτ∂+∇⋅-=∂ (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；Bf 流体介质的体力向量；τ为应力张量；在旋转的参考坐标系下，控制方程变为： ()0r v v tρρ∂+∇⋅=∂ （3） (-)+B r r c v v v f f tρρτ∂+∇⋅=∂ （4） 形式和固定坐标系下基本相同，只是速度变成了相对速度，另外就是增加了附加力项c f 。
固体有限元动力控制方程为：[]{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= （5）式中，[]M ，[]C ，[]K 分别是质量矩阵，阻尼矩阵以及刚度矩阵，{}F 为载荷矩阵。
流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力、位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下四方程：f f s s n n ττ⋅=⋅ (6)f s d d = (7)f s q q = (8)f s T T = (9)5-2 单向流固耦合思路分析：轴流泵的单向流固耦合仅仅考虑流场对结构的影响，并不考虑结构变形对流场的影响，所以其数据的传递是单向的，流场和结构的分开计算，完成流场计算之后将其作为结构的边界条件加载到结构域上。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。
1 流固耦合概述1．1引言历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。
华北电力大学科技成果——风电机组流固耦合机理与特性研究
华北电力大学科技成果——风电机组流固耦合机理
与特性研究
成果简介
风电机组是由风轮、塔架和机舱等部件组成的多自由度柔性系统，该柔性系统各部件与随机波动的自然风相互作用，形成了风电机组与湍流风场复杂的流固耦合系统。
深入研究风电机组与湍流风场流固耦合机理和动态响应特性是安全高效利用风能发电的关键科学问题。
在湍流风、风切变、阵风和偏航等非定常气动条件下，基于计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）对机组系统进行全三维流固耦合数值模拟，研究了叶片变形和塔架位移与气流的相互作用，分析了变形和位移对叶片和塔架载荷的影响，研究了叶片的动态失速特性，获得了不同气动条件下机组系统的振动响应特性和系统稳定性特征。
研究成果在陆上1.5MW、2MW和海上3MW、5MW风电机组的研究开发项目中应用。
薄膜结构的动力学特性研究
薄膜结构的动力学特性研究薄膜结构是指其厚度相对于其它尺寸而言非常薄的结构，它具有独特的力学性质和动态响应特性。
对薄膜结构的动力学特性进行系统研究，不仅可以深入理解其力学行为，而且对于各种领域的应用有着重要的意义。
本文将重点讨论薄膜结构的动力学特性以及相关的研究进展。
一、薄膜结构的力学特性薄膜结构的力学特性主要包括弹性性质、塑性行为和断裂机理等方面。
由于薄膜结构的尺寸特别小，使得其受力行为呈现出与传统材料不同的特点。
例如，薄膜结构的弹性模量与厚度呈反比关系，而且由于表面固有应力等因素的影响，其弹性性质可能与材料的体相不同。
此外，薄膜结构在塑性变形过程中也有着独特的性质，尤其是当其尺寸降至纳米尺度时，其塑性行为和变形机制表现出与体相材料截然不同的行为。
二、薄膜结构的振动特性薄膜结构的振动特性是研究其动力学行为的重要方面。
由于尺寸的限制和表面效应的影响，薄膜结构的振动模式和频率常常与宏观尺寸材料不同。
通过研究薄膜结构的振动模态、频率响应和阻尼特性，可以揭示材料的力学性质和表面效应对其动力学行为的影响。
三、薄膜结构的变形行为薄膜结构的变形行为在微纳制造、应力传感器等领域具有广泛的应用。
其变形行为既受到加载方式的影响，也受到尺寸效应和材料参数等因素的制约。
通过研究薄膜结构的变形行为，可以了解其力学性能和微观结构的相互关系，从而为相关领域的设计和应用提供理论依据。
四、薄膜结构的动态响应薄膜结构在受到外界激励时，具有独特的动态响应特性。
例如，当薄膜结构受到热激励或电激励时，会出现热膨胀或压电效应导致的形状变化。
此外，薄膜结构还具有动态压电耦合效应、声子振动等特性，这些现象对于薄膜结构在能量转换、传感器等方面的应用具有重要意义。
总结：薄膜结构的动力学特性是一个复杂而富有挑战性的研究领域。
通过对其力学特性、振动特性、变形行为和动态响应的深入研究，可以为薄膜结构的设计和应用提供更加准确的理论基础。
未来的研究工作应当继续深入探索薄膜结构的动力学行为，并结合实际应用需求，不断拓展其在微纳器件、能源和传感器等领域的应用前景。
流固耦合——精选推荐
流固耦合流固耦合定义：它是研究变形固体在流场作⽤下的各种⾏为以及固体位形对流场影响这⼆者相互作⽤的⼀门科学。
流固耦合⼒学的重要特征是两相介质之间的相互作⽤,变形固体在流体载荷作⽤下会产⽣变形或运动。
变形或运动⼜反过来影响流，从⽽改变流体载荷的分布和⼤⼩，正是这种相互作⽤将在不同条件下产⽣形形⾊⾊的流固耦合现象。
(⼀)流固耦合动⼒学：求解⽅法与基本理论---张阿漫，戴绍仕●有限元法●边界元法●SPH法与谱单元法●瞬态载荷作⽤下流固耦合分析⽅法●⼩尺度物体的流固耦合振动●⽔下⽓泡与边界的耦合效应按耦合机理分两⼤类：1 耦合作⽤只发⽣在两相交界⾯---界⾯耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作⽤通过界⾯⼒（包括多相流的相间作⽤⼒等）起作⽤。
它的计算只要满⾜耦合界⾯⼒平衡，界⾯相容就可以了（其耦合效应是通过在⽅程中引⼊两相耦合⾯边界条件的平衡及协调关系来实现的）。
如⽓动弹性，⽔动弹性等。
按照两相间相对运动的⼤⼩及相互作⽤分为三类：(1)流体和固体结构之间有⼤的相对运动问题"最典型的例⼦是飞机机翼颤振和悬索桥振荡中存在的⽓固相互作⽤问题,⼀般习惯称为⽓动弹性⼒学问题"(2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起"其特点是:我们极其关⼼的相互作⽤是在瞬间完成的,总位移是有限的,但流体的压缩性是⼗分重要的"(3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的响应!充液容器的液固耦合振动!船⽔响应等都是这类问题的典型例⼦"对这类问题,主要关⼼的是耦合系统对外加动⼒荷载的动态响应"2 两域部分或全部重叠在⼀起，难以明显的分开，使描述物理现象的⽅程，特别是本构⽅程需要针对具体的物理现象来建⽴，其耦合效应应通过建⽴与不同单相介质的本构⽅程等微分⽅程来体现。
按耦合求解⽅法分两⼤类：1 直接耦合求解：直接耦合是在⼀个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建⽴本构⽅程，其耦合效应通过描述问题的微分⽅程来体现。
空气动力对薄膜结构动力特性的影响规律
空气 动 力对 薄膜 结构 动 力特 性 的影 响 规律
李庆祥 ， 孙炳楠 ２
（ ．广 东 省建 筑 科 学 研 究 院 ， 东 广 州 ５ ０ ０ ； ． 江 大 学 土 木 系 ， 江 杭 州 ３ ０ ２ ） １ 广 １５ ０ ２ 浙 浙 １０ ７
摘
要： 薄膜 结构 刚度 小 、 自重 轻 、 自振 频 率 低 ， 外 力 作 用 非 常 敏 感 ， 此 在 分 析 其 动 力 特 性 时 应 考 虑 到 空 气 与 结 对 因
影响规律 。
关 键 词 ： 膜 结 构 ； 气 动 力 ； 力 特 性 ； 合 作 用 薄 空 动 耦 中 图分 类 号 ：Ｕ ５ ； Ｕ １ ． Ｔ ３１ Ｔ ３ １３ 文献标识 码 ： Ａ
０ 引 言
薄膜 结 构是 一种 应 用 十分 广 泛 的 大 跨 度柔 性 空 间 结构 。这 类结 构 以其 美观 、 经济 和易 于建 造获 得建 筑 师 的青 睐 。但 对于其 结构设 计 ， 由于 结构 自身 非 常 轻柔 ， 当薄膜 结构 在 空气 中振 动 时 ， 然 会 带 动部 分 必 周 围空气 一 起运 动 ； 同时周 围空气 的运 动反 过来 影 响 着 结构 的运 动 。对于 大多数 土木 工程 结构 而言 ， 在计 算 结构 的 固有频 率和分 析结构 反应 时 ， 空气 的影 响可 忽 略不计 ； 而对 于 薄膜 结 构 这类 轻 型结 构 而 言 ， 然 空 气 一结 构 的耦合作 用 对 结 构基 本 动 力 特 性 的影 响相 当显 著… 。 同 时 ， 薄膜 结 构所 承 受 的荷 载 中 ， 在 风荷 载 一般 是起 控制作 用 的 ， 它也 是结 构及 膜材 破坏 的 主 要原因， 结构 的抗 风设计 是必 不可 少 的重要 环节 。而 结 构在 风荷 载作用 下 的 振 动规 律 除 了和 风荷 载 有 关 外， 还与 结构 的振 动 特 性 有关 。因 此 ， 薄膜 结 构 的 对 基 本动力 特 性进行 研究 ， 于膜结 构 的动力 响应 计算 对 和 分析 都是 必要 的 。 空气 流 场流 过结 构 表 面会 对 结 构 产 生 附加 的气
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Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ： ｅｗｉ ｄ ｐ ｅ ｓ ｒ ｃｉ ｇ ｏ ｍｂ ａ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅｉ ｌｔ ｅ ｔ ｅｓ ｕ ｔ ｒ ｉｐ ａ ｅ ｎ ． ｅ ｏ ｉ ｄ ｎ ｒ ｓ ｕ ｅａ ｔ ｎ ａｍｅ ｒ ｎ ｔ ｔ ｒ ｒ ａ ｖ ｔ ｔ ｃｕ ｅｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｖ ｌ ｃ ｔ ａ ｎ ｕ ｓｅ ｉ ｏ ｈ ｒ ｙｎ ａ ｃ ｌｌ ｔ ｎ ａ ｌ ａ ｅｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｆａｒｌ ｗ ｓ ｌ ｅ ｅ ｉ ａ ｔ ｎ ｅ ｉ ｔｒ ｃ ｏ ｅｗｅ ｎ ｗｉ ｄ ａ ｄ ｆ ｂ ｃ ｃ ｅ ｅ ａｉ ｓ ｏ ｗｅｌ ｔ ｈ ｒ ｃ ｅ ｔ ｓｏ ｉｆ ｈ ｓ ｉ ｉ ｏ ｉ ｅＬ Ｔｈ ｒ ｉ ｅ ｓ ｅ ａ ｔ ｎ ｂ ｔ ｅ ｎ ａ ｒ ｔ ｓ ｎ ｎ ｎ ｉ ｎ ｉ
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Ｋｅ ｒ ｓ ｆｂ ｃｓｒ ｃｕ ｓ ｆ ｉ —ｔ ｃｕ ｅｉ ｔｒｃｉｎ： ａ ｏ ｓ ｃｓ ｆ ｅ ｓ ａ ｏ ｓ ｃｄ ｍ ｐｎ ｙｗｏ ｄ ： ａ ｒ ｔｕ ｔｒ ； ｌ ｄ ｓｒ ｔｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｅ ｕ ｕ ｎ ｏ ｃ ｕ ｔ ｔ ｎ ｓ ； ｃ ｕ ｔ ａ ｉｇ ｉ ｉ ｉ
弓 言 ｌ
薄膜结构是近几十年 发展较 为迅速 的大跨 度 空间结构，它的造型适应性强，力学性能好 ，自重 轻 ，充分体现了结构的轻巧、高强、透光等特点。 薄膜 结构至轻极柔 的材料特性决定 了其对风荷载
的敏 感性 。
之 间的静力耦合作用所涉及的几个 因素进行 了简 单分析 ，为进一步的风致动力响应研究做准备。
结构与 风环 境之 问存 在着 较强 的流 固 耦合作 用 ，并 且这 种耦 合作 用往 往对 薄膜 结构 的振 动起 控制 作 用 。将 两 者 的耦合 作用 分 为静 力耦 合 作用 和动 力耦 合作 用 ，并主 要针 对 静力耦 合作 用所 涉 及的几 个 因素运 用 解析 公式 的说 明方 法进 行 了初步 分 析总 结 ，为进 一步 的 风致 动力响 应研 究和 风洞 试验研 究 奠定 了理 论基础 ．
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第 ２ 卷增 ５
、 ．５ ｂ１ ２
刊
辽宁工程技术大学学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｎ ｎ ｅ ｈ ｉ ａ ｉ ｅ ｓ ｏ ｒ ａ ｏ ｉ ￣Ｔ ｃ ｎ ｃ ｌ ｏ Ｌｉ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ
２０ ０ ６年 ６月
Ｊ ｎ ｕ ． ２ ｏ ０ ６
１ 薄膜结构与风的静力耦合作用
薄膜 结 构 在 空 气 中 发 生振 动 时 ， 会 带动 部分 将
周围空气一起运动，因此结构的有效质量除包含结 构本身质量外还应 包括 结构运 动而产 生的附加质 量。附加质量与结构形状 、运动方式及流体密度有 关。对于大多数土木工程结构而言，附加质量与结 构质量相 比是很小的，然而对于薄膜结构等一类轻 型结构而言，附加质量与薄膜质量可能在同一个数
ｓｒ ｃｕ ｅａ ｄ ｗｉ ｄ ｉ ｄ ｃ ｄ ｒ ｓ ｏ ｓ ｎ ｌ ｓｓ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｎ ．ｎ ｕ ｅ ｅ ｐ ｎ ｅ ａ ａｙ ｉ
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（ ｏｌｇ ｏｆ Ⅷ ａ ｄＡ ｃ ｉ ｃ ｒ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ Ｌ ａ ｎｎ Ｔ ｃ ｎｃ ｌ ｎｖ ｒｉ ， ｕ ｉ ２ ０ ０Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｅ Ｃｉ ｎ ｒ ｈｔ ｔ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ， ｉｏ ｉｇ ｅ ｈ ｉａ Ｕ ｉｅｓｔ Ｆ ｘｎ１ ３ ０ ， ｈｎ ） ｅ ｅｕ ｎ ｙ
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Ｓ ｖ１ ｕ ｖ．
文 章编 号 ：１０－５２２０ ） ０ ８ ６ （０ ６增刊 １ １７ ３ ０ ０ － ５－ ０
薄膜
耦合作用
（ 宁 工程技 术 大学 土 木建筑 工程 学 院．辽宁 阜新 １３０ 辽 ２ ００）
摘 要 ：作用在薄膜结构上的风荷载， 除与气流本身的特性有关外，还与结构在风荷载作用下的位移、速度、 加速度等有关。薄膜
关键词 ：薄膜结构：流固耦合作用；附加空气质量ｔ气承刚度；声致阻尼
中图分类号：Ｔ ３ Ｕ３
文献标识码 ：Ａ
Ｐ ｅｉ ｎ ｒ ｔｄ ｎｆｕ ｄ ｓｒ ｃｕ ｅｉｔｒｃｉ ｎｆｃｏ ｆｆｂ ｉ ｒｌ ｍｉ ａｙ ｓｕ ｖｏ ｉ ．ｔｕ ｔｒ ｎｅ ａ ｔ ｔ ｒ ｒｃ ｌ ｏ ａ ｏ ａ
ｓｒ ｃｕ ｓ ｗｈｃ ｒ ｃ ｌ ａ ｔｒ ｏ ｅｄ ｎ ｍｉ ｈ ｖｏ ｆ ａ ｒ ｔ ｃｕ ｅ ． ｈ ｔｒ ｃ ｏ ｒｕ ｅ ｅ ｔｕ ｔｒ ， ｉｈｉ ａｃ ｔ ａ ｃｏ ｒ ｙ ａ ｃｂ ａ ｉｒ ｆ ｂ ｃｓｒ ｔｒ ｓ Ｔ ｅｉ ｅａ ｔ ｎ ｉ ｇ ０ ｐ ｄａ ｔ ｅ ｓ ｉ ｉ ｆ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｉ ｕ ｎ ｉ ｓ ｓ ｈ