[发明专利]台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法

权利要求书

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。