全风向角下大型门式起重机风载荷响应分析.docx

? ? 全风向角下大型门式起重机风载荷响应分析 ? ? 臧付连，程文明，杜 润，王玉璞 (1. 西南交通大学机械工程学院，四川 成都610031；2. 西南交通大学轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室，四川 成都 610031) 1 引言 大型门式起重机在港口、近岸海域、铁路货场等场地具有广泛应用。随着工业生产规模的不断增大，起重机搬运任务逐渐向复杂化、重载化等方面发展，使得起重机变得高大、轻柔，对风载荷愈发敏感。 门式起重机作为一种具有特殊结构的高大金属结构，其主梁置于高处且具有较大迎风面积，故风载荷的估值将在很大程度上对起重机的设计产生影响[2]。《起重机设计规范》[3](GB/T3811-2008)(以下简称《规范》)将起重机所受风载定义为其迎风面上的静载荷，仅通过风力系数C和挡风折减系数η进行界定，忽略了不同风向对于起重机结构的影响和非迎风面上的风载荷，使起重机在设计过程中难以获得各表面的真实风载荷。计算机技术的不断发展下，计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAE)等技术逐步成为当代起重机结构设计的重要工具和手段[1]。 自然风场中，风向充满了不确定性，且空气会在结构表面发生附着、涡脱及再附等现象，在结构表面产生压力及粘性力作用，会使得不同风向下，结构表面的风载荷相差甚远[4，5]。针对不同风向下的风载荷分布及流场形式，目前国内外对于起重机主要研究有：现场实测、风洞试验、理论研究以及数值模拟。吴学阳等[6]采用谐波分析法模拟脉动风对门机影响，利用FEA方法分析门机在自然风场中的脉动特性并将其结果与《规范》中规定的静载荷进行对比得出结果。但该方法不能获得起重机周围流场信息以及起重机各表面风载荷分布数据。王芝斌等[7]运用风洞实验获得集装箱起重机在不同风向下的风载荷数据，并研究了特定风向角对于风载荷的影响，在此基础上，结合《规范》提出了风载荷修正系数。相对于谐波分析法，风洞试验虽然能得到准确的测点风压数据，但因测压点数量有限，会导致起重机周围的绕流方式描述不够清晰。此外风洞试验还具有成本高、运行周期过长、对模型的依赖性较高的缺陷。郭庆[8]等借助计算流体力学软件计算得到门座起重机在不同风速下、不同工况下风速场和风压场分布图，并与《规范》计算结果进行对比，验证了计算流体力学方法在大型门座起重机计算分析中的适用性。陈伟等[9]通过在不同风向下对塔式起重机进行数值模拟并与《规范》所得计算结果进行对比，获得了准确的起重机风速场与风压场分布图。这表明计算流体力学方法在获得模型表面精确的风压数值和流场特征等方面具有较大优势。 目前为止，对于门式起重机的风载荷计算多采用《规范》进行估算或采用谐波分析法模拟脉动风计算，不能获得不同风向下准确的风载荷数值，且未对非迎风面的风载荷进行计算。Fluent具有模拟复杂结构表面的风压分布及其周围的空间流场的瞬时变化、可重复性高等特点[10]。为此借助Fluent软件对门式起重机风载荷进行模拟计算，获得不同风向下起重机整机、非迎风面准确的风载荷数值和周围流场特征，为后续门式起重机设计提供有效参考。 2 门式起重机结构及风向角的确定 2.1 起重机结构 门式起重机主要由主梁、刚性支腿和柔性支腿组成(详见图1)。刚性支腿结构较为稳定，一般通过螺栓等方式与主梁进行刚性连接。柔性支腿结构较为细柔，一般通过铰接的方式连接于主梁。 图1 大型门式起重机结构示意图 门式起重机主要承重结构为主梁，主梁一般为单梁或者双梁结构，且具有较大截面尺寸。主梁位于起重机顶部，其结构跨度可达100米以上，从整体结构考虑，门式起重机具有顶部质量集中特点。本文将以2000t门式起重机为研究实例，其结构如图1所示，特征尺寸参数参见表1： 表1 2000t门式起重机主要尺寸特征参数 2.2 风向角确定 门式起重机工作环境风向多变，且由于空气会在结构表面发生附着、涡脱及再附等现象，在结构表面产生压力及粘性力作用，这使得在不同风向下，某些结构表面的风载荷相差甚远。因此，需对多个风向下的模型进行流体力学模拟计算。鉴于2000t门式起重机为对称结构，故选择如图2所示方向为流体模型的速度入口，对应方向为压力出口，在门式起重机的俯视视角下，共选择7个方向作为来流方向。 图2 模型风向角示意图 根据《规范》中的规定，在风向角为0° 的情况下，门式起重机各结构进行迎风面积的计算结果参见表2： 表2 起重机各结构迎风面积 主梁迎风面积最大，占整体结构的60%以上，且主梁位于起重机顶端。风载荷同样具有顶部大，其余位置小的特点。随着起重机设计逐步向大型化发展，风载荷对于起重机的影响也会变大，因此，获得准确的风载荷分布可以为起重机设计提供重要依据。 3 仿真计算 3.1 流体数学模型 Navier-storks方程是求解流体绕流问题的基础，但因