作者:Paulo de Mattos Pimenta,巴西圣保罗大学理工学院教授
采用ANSYS多物理场工具分析世界杯体育场,用时仅为风洞测试的十分之一。
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位于巴西首都巴西利亚的马内·加林沙国家体育场是一座可容纳7万名观众的足球体育场,重建于2013年。这里曾主办过2014年FIFA巴西世界杯的七场比赛,其中包括一场四分之一决赛。要验证这种规模的体育场的风荷载,一般需要进行风洞测试,既耗时又费钱,而且还存在缩放比例误差的风险,因为适合风洞的比例模型未必能完全一致地体现超大型建筑的表现情况。在ANSYS拉美渠道合作伙伴ESSS公司的CFD仿真专家的帮助下,该项目的工程咨询人员采用ANSYS多物理场功能对该体育场的安全性进行验证。


用于CFD分析的几何结构模型

在本例中,验证工作必须仅在15天内完成,远远少于构建比例模型和进行风洞测试所需的时间。

ESSS团队使用CFD工具预测体育场周边的气流及其对体育场顶篷造成的压力。随后工程师(即本文作者)开展结构分析,研究风、体育场基础设施和欢呼人群形成的共同影响。分析人员建议进行多处修改,例如增加钢索的数量和提高钢索的张力。这被认为是巴西首次在大型体育场设计中使用CFD分析取代风洞测试,而且仅用两周就完成了分析。仿真验证节省了三分之一的成本,耗时仅为风洞测试时间的十分之一。

大型体育场翻修项目

该体育场最初建于1974年,以巴西著名的足球运动员马内·加林沙命名。为了给现在的这座新体育场留出空间,国家体育场在2011年的内爆拆除中几乎被夷为平地。新体育场修建了全新的外墙、金属顶篷和看台,还建造了较低的足球场(比赛场地),以便观众从任何座位上都能将实时赛况尽收眼底。重建工程涉及拆除较低一排座椅,并将高排座椅整合成全新的矩形碗状物。赛场规模缩小将该体育场变成了一个足球专用场馆。此场馆的翻修成本约为5亿美元。

参与过巴西利亚建设的巴西国有公司NOVACAP联系了笔者,从测算风载荷的角度对该体育场设计的安全性进行了验证。传统的验证方式是先构建比例模型,然后在风洞中进行测试,同时测量模型上承受的载荷。最近,许多项目均是通过使用CFD预测结构上的载荷,然后再使用风洞验证CFD仿真而完成的。


CFD预测的顶篷上的流线和空气压力


结构模型


0.432 Hz频率下的总体变形

但是,体育场CFD仿真技术现已发展到不再必须进行风洞验证的水平,从而可节省大量的时间和成本。在本例中,验证工作必须在短短的15天内完成,远远少于构建比例模型和进行风洞测试所需的时间。

CFD仿真

NOVACAP可提供设计的架构模型。体育场的设计采用两个独立结构。顶篷用柱子支撑,独立于体育场本身。体育场则由座椅、阶梯和斜坡组成。顶篷直径309米,堪称全球最大的环形顶篷。CFD设计空间在水平和垂直方向都取6km,大约是体育场大小的20倍。该模型分别使用了四边形、四面体和锥体单元。完成后的模型拥有2,000万个计算单元和1,200万个自由度。设计团队通过迭代去除不会影响流动的几何结构细节,从而能在不降低精确度的情况下加快仿真速度。风速标准依据巴西建筑规范,该规范规定的风速为35米每秒。设计小组在求解域的边缘施加来自两个正交方向的风作为边界条件,然后引入 k-epsilon湍流模型。

在由12个节点、24个处理器和96Gb的RAM组成的高性能计算集群上,ANSYS CFD仿真总共进行了约四个小时。分析的结果提供了风力在结构的各个单元上施加的正负压力。

结构分析

工程师将设计转换成有10万个梁单元和壳单元的有限元模型,以供结构分析使用。CFD模型预测的压力可通过ANSYS Workbench环境传输给ANSYS Mechanical。此外,模型中还加入了看台上的观众、灯光和视听系统产生的重力载荷。工程师首先进行应用了所有载荷条件下的静态线性分析,然后再通过动力学分析计算出结构的自然模态形状和振动频率,随后在预应力的结构上开展模态分析。最低频率的模态是低于0.5Hz的旋转模态。由于原始设计未考虑旋转方向上的足够刚度,这种模态就是个问题。最低弯曲模态为0.8Hz,属于可接受的范围。最后,工程师通过手动计算来确定该结构的放大因数。

使用CFD模型可评估多种不同的设计变更,从而解决旋转模态问题。仿真显示了通过添加更多钢索,提高部分现有钢索的张力,可以增加结构的旋转刚度,并将旋转模态的频率进一步提升到0.8Hz以上。体育场的架构设计融合了上述修改,并于2013年完工。该体育场首次投入使用是举办联合会杯的开幕赛。在此次比赛中,巴西队完胜日本队。该体育场曾举办过2014年FIFA巴西世界杯的七场比赛。此外,其还将主办2016年在里约热内卢举办的夏季奥运会的部分足球比赛。

在此谨感谢Maruska Holanda (NOVACAP)和Pedro Almeida提供的鼎力帮助。


结构分析预测的钢索和桁架承受的应力