[发明专利]一种基于风载荷谱疲劳仿真的金属屋面寿命预测方法

权利要求书

1.一种基于风载荷谱疲劳仿真的金属屋面寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据气象风速数据估计疲劳风分布，计算风速的weibull分布模型；

S2：建立脉动风载荷模型；结合平均风垂直特性、湍流强度、风速功率谱密度以及风压系数参数构建脉动风载荷模型；

S3：使用实时监测数据修正脉动风载荷模型，使脉动风载荷模型逼近特定建筑物屋面风压载荷；实时监测数据源于大跨度金属屋面上传感器网络长期监测的风速-风压数据，使用最小二乘法拟合函数关系以修正脉动风载荷模型；

S4：构建特定建筑屋面的风致疲劳载荷谱；通过脉动风载荷模型将风速转化为脉动风载荷，再结合载荷概率密度和循环周期，计算出每一载荷的循环次数，从而得到风致疲劳载荷谱；

S5：通过有限元仿真的方法对金属屋面在不同循环载荷作用下进行疲劳仿真；

S6：利用miner损伤叠加原理对金属屋面的寿命进行预测。

2.根据权利要求1所述的一种基于风载荷谱疲劳仿真的金属屋面寿命预测方法，其特征在于，风速Weibull分布模型的表达式为：

其中，v示平均风速，k是比例参数，c是形状参数，p_wb(v,k,c)为风速概率密度函数，e为自然对数的底数；Weibull分布模型中的参数按下式估计：

其中v为平均风速，σ为风速标准差，是gamma分布函数，t表示时间参数；将平均风速替换为风级，用Weibull分布绘出各个风级下的短时平均风的分布。

3.根据权利要求2所述的一种基于风载荷谱疲劳仿真的金属屋面寿命预测方法，其特征在于，脉动风载荷模型建立方法包括：

S21，构建湍流风数学模型：

其中，为湍流风平均风速，f为频率，I表示湍流强度；

S22，静压载荷建模：

对建筑物表面的风压分布基于RNGk-ε模型进行计算，用风压系数来表示风压分布的规律和大小，风压系数的定义为：

经过计算风载荷与风速的关系如下式所示，ΔP表示风载荷产生的负风压，p₀表示金属屋面板下方静止空气的静压，结合伯努利方程得知：

其中p代表金属屋面表面测点的压强，p_H代表参考点静压，v_H参考点风速，ρ为空气密度；

S23，脉动风载荷建模：

将脉动风速表达式带入到上述载荷与风速的关系式中，将脉动风进一步简化，看为单一频率的谐波振动，脉动周期根据风速的功率谱密度得出；依此构建的风载荷的表达式为：

其中，表示平均风压。

4.根据权利要求3所述的一种基于风载荷谱疲劳仿真的金属屋面寿命预测方法，其特征在于，使用最小二乘法拟合函数关系以修正脉动风载荷模型的方法为：

获得建筑物表面风速-风压数据，通过最小二乘法拟合得到和I^*，然后使用和I^*替换风载荷表达式中对应的参数以修正模型；

修正后的数学模型为：

γ_j(v)、为点集{v_i(i＝0,1,…,m)}上线性无关的基函数，m为数据组的数量，为对应基函数前的系数。

5.根据权利要求4所述的一种基于风载荷谱疲劳仿真的金属屋面寿命预测方法，其特征在于，根据风速分布规律构建疲劳载荷谱：

对不同风级下的短时平均风分布进行计算，并用离散的方式获得不同风级下的风速谱，再根据风速和载荷关系的得到风压载荷谱；对不同风级下的循环载荷谱进行构建，根据天气数据统计一年的载荷谱，计算公式如下所示：

i表示不同的循环载荷，u表示风级，m_u表示不同风级的年统计次数，n_iu表示不同风级下不同载荷下的循环次数。