[發明專利]一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法

在審

• 申請號: 201410629276.6
• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104408295A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 黃銘楓;涂志斌;樓文娟;陳勇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

1.一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

第一步：確定大跨橋梁下部結構脈動風速模擬點和隨機波浪模擬點的坐標；

第二步：根據海面風場特性和隨機波浪特性，利用Ochi脈動風速譜和JONSWAP波浪頻譜生成耦合譜矩陣S：

式中為脈動風速u的譜分量，n為模擬點數，S_η為波浪頻譜分量，η為隨機波浪的波面；

第三步：建立大跨橋梁下部結構周邊數值模擬風場，利用雷諾應力模型(RSM)完成該風場的計算流體力學(CFD)數值模擬，提取脈動風速模擬點處的雷諾應力張量來修正耦合譜矩陣S中的脈動風速譜分量修正后的自譜為：

Suii(f)=τii6fSuii*(X);X=zfUz;i=1,...,n]]>

Suii*(X)=583X0≤X<0.003420X0.7(1+X0.35)-11.50.003≤X<0.1838X(1+X0.35)-11.5X≥0.1]]>

互譜為：

Suii(f)=Suii(f)Sujj(f)Coh(f);j=1,...,n;i≠j]]>

Coh(f)=τijτiiτjj11+0.4[(fLu/Uz)]2]]>

式中τ_ii為雷諾應力張量，X為莫寧坐標，f為頻率，U_z為海面高度z處的平均風速，Coh(f)為雷諾應力張量修正后的點相干函數，L_u為湍流積分尺度，修正后的耦合譜矩陣S考慮了風與結構之間的相互耦合；

第四步：通過對數等間距插值設置耦合譜矩陣S的圓頻率插值基點：

ω^h=Δω(Nω2)h-1/N^ω-1;h=1,...,N^ω]]>

式中Δω＝ω_u/N_ω，ω_u為截止圓頻率，N_ω為頻域離散點數，為圓頻率插值基點數；

第五步：在圓頻率插值基點處對耦合譜矩陣S進行特征正交分解(POD)，計算得到各基點處的特征值和特征向量，通過插值公式獲得任意頻率點ω_j(j＝1,…,N_ω)處的特征值和特征向量θ_j：

θj=θ^round(sj)]]>

sj=log(j-1)log(Nω-1)(N^ω-1)+1]]>

式中floor(s_j)和ceil(s_j)分別表示不大于s_j的最大整數和不小于s_j的最小整數，round(s_j)為最接近s_j的整數；

第六步：合成由脈動風速和隨機波浪組成的隨機矢量過程V，引入快速傅里葉變換技術(FFT)提高合成效率：

式中V(t_m)＝{u₁(t_m),...,u₁(t_m),η(t_m)}，t_m＝m△t(m＝1,2,...,N_t)，△t為時間步長，N_t為時域離散點數，ω_j＝(j-1/2)△ω，N_s為頻率點ω_j處特征值和特征向量θ_j的截斷數，為隨機相位角，服從[0,2π]間的獨立均勻分布；

第七步：在{u₁(t_m),...,u₁(t_m)}的基礎上利用準定常假定計算脈動風速模擬點處大跨橋梁下部結構的脈動風壓，在η(t_m)的基礎上利用MacCamy-Fuchs繞射理論計算大跨橋梁下部結構表面的隨機波浪壓力。