FSWIND脉动风-风载时程生成器软件原理

大量风的实测资料表明，在风的时程曲线中，瞬时风速包含两个部分：一部分是自振周期一般在 10 分钟以上的平均风，另一部分是周期一般只有几秒左右的脉动风。平均风由于其周期一般比结构的自振周期大，因而考虑其作用性质相当于静力；脉动风具有随机性和周期与结构的自振周期较为接近的特点，一般作为动荷载考虑，是引起结构振动的主要因素。

目前当结构考虑风荷载时，分析研究方法主要分为两种：

1、风场实测+风洞实验+CFD风场模拟；

2、根据脉动风功率谱拟合脉动风时程，根据伯努利方程，将风速转为风动力时程，然后在导入有限元软件进行风载瞬态分析。

相比于第一种方法，第二种方法操作比较方便，且我国现行规范里面也有对第二种方法的相关规定。在以往研究分析中，大多数是采用matlab软件配合相关代码生成风载时程，然而在具体项目分析中，点位的每次改变都带来了一定的代码修改工作量，基于此，本人闲暇之余编制了小软件 FSWIND脉动风-风载时程生成器，彻底摆脱matlab代码烦恼！

相关参数及原理如下：

一、平均风

本软件支持两种平均风剖面变化规律

1）、指数律

计算公式为：

• 

其中，V10为离地10米处的平均风速，a为与地面粗糙度有关的系数。

2）、对数律

计算公式为：

其中，Z0为地面粗糙长度，其余参数含义同上。

2、脉动风功率谱

本软件支持5种功率谱，分别为Davenport，Harris，Simiu，Panofsky、Lumley-Panofsky。其中Davenport、Harris、Simiu适用于水平横向风，Panofsky、Lumley-Panofsky适用于竖向风。

各功率谱的计算公式为：

1）、Davenport

其中，K为表面阻力系数，与地面粗糙度类型有关，n为脉动风频率，

2）、Harris

参数含义同上

3）、Simiu

为高度Vz处的平均风速，V*摩阻风速.

4)、Panofsky

5）、Lumley-Panofsky

3、脉动风空间相关性

空间上的任意两点脉动风的风速和风向不可能完全同步，甚至完全不相关的性质称为空间相关性。根据大量的实测和风洞试验结果得到：空间上两点的脉动风压同时达到最大值的概率有限，距离越远同时达到最大值的可能性越小。本软件的空间相关性采用了Davenport 提出的指数形式经验公式，如下所示：

对于三维空间，上面的公式可写成：

对于常见的结构而言，可采用互功率谱函数来描述零均值的高斯平稳随机过程的统计特性。任意两个计算点的脉动风速互功率谱密度函数可以表示为：

4、脉动风时程生成方法

模拟脉动风速时程的方法一般有两种：（1）谐波叠加法；（2）线性滤波法。线性滤波法具有计算量小且计算速度快的优点，但对于各项参数较难选定，而谐波叠加法相比线性滤波法计算速度较慢，但在其它方面均优于线性滤波法，故本软件选用谐波叠加法进行脉动风速时程模拟，并引入快速傅里叶变换（FFT）算法来减少模拟的计算量。

原理如下所示：

5、总风速时程

总风速时程=平均风+脉动风时程

6、风载时程计算

根据伯努利方程，风压计算如下：

其中v为高度z处的总风速，p为空气密度，考虑某个节点的投影面积A(z)，注意若某些规范里面需要考虑一些影响，这里的Az应乘以对应的影响系数比如输电线模拟，故最终的风力计算公式如下：

考虑标准状态下的空气密度与重力加速度，最后换算得到的风载时程计算公式如下：

注意上述中，面积单位为m^2,风速为m/s，F单位为KN。

软件下载地址：

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