一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法
【專利摘要】本發明提供了一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法，該方法解決了模擬過程中遇到的風與浪耦合、風與結構耦合和波浪與結構耦合三個方面的環境與結構相互作用多重耦合問題。首先，通過脈動風速譜和波浪頻譜的耦合來實現風、浪兩種隨機過程的時域內同步耦合模擬；其次，通過雷諾應力張量修正結構周邊風場的脈動風速譜來實現風與結構的耦合模擬；最后，通過MacCamy-Fuchs繞射理論來實現波浪與結構的耦合模擬。該方法綜合運用了計算流體力學(CFD)方法、快速傅里葉變換技術(FFT)、特征正交分解法(POD)和頻率插值法，該方法計算效率高、模擬過程簡單且物理意義明確，可推廣到其他類似海洋結構的風-浪耦合作用荷載數值模擬中。
【專利說明】一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法，尤其是涉 及數值模擬過程中風與浪耦合、風與結構耦合以及波浪與結構耦合三個方面的環境與結構 相互作用多重耦合問題的解決方法。
【背景技術】
[0002] 大跨橋梁下部結構在施工和運營過程中將承受復雜的、隨時空變化的隨機環境荷 載，主要包括風荷載和波浪荷載。大量研究表明風、浪兩種環境要素相互影響，存在較強的 耦合特性。風、浪的相互耦合使得海面風場特性顯著區別于陸地風場特性，主要表現在風場 壁面（即波面）光滑但不斷演變、近地面粗糙度減小、摩擦風速隨時空變化、脈動風速譜的 頻率向低頻偏移。同時，風是浪的重要動力來源，波浪形態受到風速控制，隨機波浪頻譜是 風速和風區的函數。
[0003] 風、浪耦合作用下結構動力響應的精確分析依賴于輸入環境荷載數據的可靠性。 一般而言，環境荷載作用數據來源于現場實測或數值模擬；前者可靠度好，但對設備儀器要 求較高且耗時較長；后者適應性強、耗時短，但鮮有考慮風、浪兩者的相互耦合。同時，置于 風場和波浪中的大型結構本身對風、浪的干擾以及風-結構、波浪-結構之間的相互作用不 可忽略，風-浪耦合作用荷載數值模擬需要解決這三方面的耦合問題。為實現大跨橋梁下 部結構風-浪耦合作用荷載的高效模擬，發展一種以海面風場和隨機波浪的概率統計及物 理機制描述為特征的數值模擬程序十分必要。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種以海面風場和隨機波浪的概率統計及物理機制描述 為特征的風-浪耦合作用荷載數值模擬程序，在數值算法上解決模擬過程中遇到的風與浪 耦合、風與結構耦合和波浪與結構耦合三種不同的相互作用耦合問題，為風-浪耦合作用 下大跨橋梁下部結構動力響應分析及設計奠定了基礎。
[0005] 為此，本發明采用如下技術方案：
[0006] 首先，通過脈動風速譜和波浪頻譜的譜矩陣耦合來實現風、浪兩種隨機過程的時 域內同步耦合模擬；其次，通過雷諾應力張量修正結構周邊風場的脈動風速譜來實現風與 結構的稱合模擬；最后，通過MacCamy-Fuchs繞射理論來實現波浪與結構的稱合模擬。
[0007] 本發明提供一種大跨橋梁下部結構風-浪耦合作用荷載數值模擬方法，該方法包 括以下步驟：
[0008] (1)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；
[0009] (2)根據海面風場和隨機波浪頻譜特性，利用Ochi脈動風速譜和J0NSWAP波浪頻 譜生成耦合譜矩陣S :
[0010]
【權利要求】
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(4/=U…，》)為脈動風速u的譜分量，n為模擬點數，Sq為波浪頻譜分量，n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\，修正后的自譜及為：
式中tn為雷諾應力張量，X為莫寧坐標，f為頻率，Uz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，Lu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:
式中A? =cou/Nu，c〇u為截止圓頻率，NU為頻域離散點數，分,"為圓頻率插值基點數； 第五步：在圓頻率插值基點4處對耦合譜矩陣S進行特征正交分解（POD)，計算得到各 基點處的特征值么和特征向量1，通過插值公式獲得任意頻率點〇^_(j= 1，…，NJ處的特 征值和特征向量0j:
式中floor(sj和ceil(Sp分別表示不大于4的最大整數和不小于4的最小整數，round(Sj)為最接近Sj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(tm) =h(tm)，? ? ?，屮(tm)，n(tm)}，tm =mAt(m= 1，2, ? ? ?，Nt)，At為時間 步長，Nt為時域離散點數，
，《j= (j-1/2)A? ,NS為頻率點wj處特征值&和特 征向量％的截斷數，錢^為隨機相位角，服從[〇, 2 ]間的獨立均勻分布； 第七步：在(〇，...，Ul (〇}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n(tm)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。
【文檔編號】G06F19/00GK104408295SQ201410629276
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】黃銘楓, 涂志斌, 樓文娟, 陳勇 申請人:浙江大學