基于CFD的门座式起重机风载荷响应分析

王 澄，张高峰，袁昌耀，杨秀萍，王收军

（1.天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384；2.南京晨光集团有限责任公司，南京2100062）

港口经济的快速发展促使港口起重机向大型化、高效化发展，这种特种设备主要包括横梁、圆筒立柱、机器房、臂架等典型结构，都是大截面箱梁结构形式，迎风面积大，易受风力影响而产生破坏性后果，大至出现整机滑移倾倒等危险，小到在主梁、端梁等主要结构连接处产生裂缝、断裂，形成潜在的安全隐患，这些都严重影响港口的安全生产，因此研究港口起重机在不同风场条件下结构的风致效应，具有很实际的工程意义.目前，国内外对于结构风工程的研究方法主要有：理论研究、现场测试、风洞试验、数值模拟[1].随着计算流体力学理论的完善和计算机处理能力的提高，具有成本低、效率高、周期短[2]等优点的数值模拟仿真技术，在工程界得到工程师越来越多的青睐.本文基于计算流体力学（CFD）技术，运用FLUENT软件和ANSYS流固耦合（FSI）模块，对港口单臂门座式起重机进行外界风场模拟和流固耦合分析，研究起重机结构在工作状态风载荷作用下的结构响应，并将结果与《起重机设计规范》中静压风载处理方法进行比对，验证该方法的适用性，一方面可以为研究起重机在不同风场中的结构响应提供参考，另一方面也可将分析结果作为港口起重机检测维护与防风策略的参考.

1 流场数值仿真计算

1.1 模型建立

单臂门座式起重机（以下简称门机）由多种结构构成，结构之间又由不同规格的型材相互穿插焊接而成，或用不同紧固件连接而成，这些连接方式致使门机表面特征复杂，为避免数值模拟时网格数量过多，计算数据量过大，在保留门机主体结构特征的基础上，应对模型进行简化.利用Solidworks按1∶1参数比例建立门机三维实体模型，模型长49 m，宽14 m，高46 m，同时对数值模拟结果影响不大的局部结构进行简化，比如忽略底部台车、钢丝绳、耳板、销轴以及扶梯等[3].简化后的门机实体模型如图1所示.

图1门机三维实体模型Fig.1 3D Solid model of gantry crane

1.2 外流多计算域与网格模型

在ICEM CFD中建立门机的流场计算域，为了能够简易高效模拟出门机在不同风向角下受到的风载荷，将流场计算域划分为内外两个区域.从减少内计算域中非结构网格数量，提高网格质量的角度考虑，内计算域采用长54 m，宽16 m，高50 m的长方体，数值模拟时通过旋转内计算域来改变门机与来流方向的夹角，即可实现来流方向角的改变；为尽可能模拟门机外部无限大的流场环境，降低流场边界对分析结果的影响，外计算域采用长300 m，宽150 m，高150 m的长方体.文中风向角指来流方向与门机臂架伸长方向形成的夹角，其中0°风向角指来流方向沿着门机臂架伸长方向，即风向沿z轴正方向，0°风向角时计算域示意图如图2所示.风向角为90°时，门机在来流方向正投影面积最大，计算域的阻塞率最大，为1.9%，满足阻塞比小于3%的要求[4].计算域网格类型为混合网格，由结构网格和非结构网格构成.门机表面细小特征繁多复杂，需将门机按照结构类型、尺寸大小，分成不同族来划分壳网格，所有结构表面都采用三角形网格划分.基于高雷诺数模型需满足30≤y+≤300的要求，在门机实体模型四周生成边界层网格[5]，最终网格的y+分布在70～280之间，由此确定边界层第一层网格厚度为0.0018 m.内计算域采用四面体网格划分，网格局部密集，以提高门机附近流场中相关物理量的计算精度；外计算域采用正交性好、占内存资源少的六面体网格，来提高仿真计算效率，设置两种网格之间的连接面为interior，并合并连接面两侧网格节点.最终得到外流多计算域总网格节点数为1 988 791，网格数量为7 778 224.网格模型如图3所示.

图3计算域网格模型Fig.3 Grid model of computing domain

1.3 湍流模型

门机结构特征多为圆管和方形柱，风流经表面会形成钝体绕流效应，进而出现旋转和分离流动现象.流场雷诺数Re=6.81×107表明流场为完全发展的湍流流场，虽然Standard k-ε模型适用于湍流发展非常充分的流场，但SST k-ω模型对于壁面限制边界层流动、自由剪切流动比k-ε模型更有优势，适合于复杂边界层流动及分离，且SST k-ω模型不像标准kω模型对入口边界条件过于敏感，能更加精确地预测流动分离，所以文中湍流计算选择SST k-ω模型.

SST k-ω两方程模型是Menter提出的一种在工程上被广泛应用的混合模型，在近壁面保留了原kω模型处理边界层问题的优势，在远离壁面区域应用了k-ε模型处理充分发展湍流的优势，湍流动能k和湍流动能耗散率ω各自的约束方程[6]

1.4 边界条件设置

1）入口边界条件.速度进口，指数风速剖面，随高度变化的进口速度、湍流强度、湍流尺度计算如下：

式中，uH为离地任意高度H处的平均风速，u10为10 m高度处的平均风速20 m/s[7]，α为地面粗糙度指数，取0.16，H为离地高度，I为湍流强度，L为特征长度，l为湍流尺度.入口面速度采用UDF编程，湍流强度为1.7%，特征长度取门机高度50 m，湍流尺度为3.5 m.

2）出口边界条件.压力出口，湍流强度、湍流尺度和入口面设置相同.

3）壁面条件.门机模型表面和地面采用无滑移壁面条件，其它面采用对称面以模拟无限大流场[8].

4）求解方法.采用SIMPLE算法对速度压力耦合方程求解，离散格式以二阶迎风格式迭代，收敛残差设为10-3，监测进出口质量流量、来流向风力系数的稳定性[4].

1.5 仿真模拟结果

在门机实际工作环境中，风作用的方向往往是随机的，会以不同方向角作用在门机上，数值模拟时，将0°到180°风向角每隔30°划为一个计算状态，因门机整体结构左右对称，方向角在0°～180°和180°～360°两个范围内的风引起的流场压强、流速分布呈镜像关系，故只需模拟0°～180°方向角的风载荷，即可分析不同风向角的风作用时，门机结构的风致效应.

图4门机表面静压强和速度流线Fig.4 Surface pressure and velocity streamline of gantry crane

在仿真计算结果收敛的条件下得到门机表面静压强和速度流线分布图，从中选取0°、60°、90°和150°共4个风向角下的结果，如图4所示.0°风向角时，流场内门机附近流线变化均匀且分布较为对称；60°和150°方向角时，门机迎风面和背风面的流场分布不再对称，迎风面流线密集，压力大.背风面流线相对稀疏，风压较小，局部区域出现负压，在横梁和机器房的背风侧出现漩涡，并与其他气流相互缠绕；90°方向角时，横梁背风侧出现封闭环绕且尺度更大的漩涡，门机后端流线更为复杂.在风方向角增加的过程中，门机结构对流场的干扰作用逐渐增强，背风侧的流场变化越来越剧烈[9].

1.6 结果对比分析

对于起重机工作状态风载荷，《起重机设计规范》规定起重机在正常工作时能承受的最大风力作为起重机工作状态时的最大计算风压，用于计算结构强度、刚性、抗倾覆稳定性、抗风防滑安全性等[7]，并采用静态处理，即沿起重机全高的风速、风压都为常值，且起重机上总的风载荷值为其各组成部分风载数值的总和[8].

受风结构上风压与风速关系

式中，P为工作状态最大计算风压，N/m2；VS为计算风速，《规范》中对于沿海地区计算风速取20 m/s.

工作状态风载荷计算公式

式中，C为风力系数；A为起重机结构垂直于风向的实体迎风面积，m2.

当风向与起重机表面呈某一角度时，沿风向的风载荷计算公式

式中，θ为风向与起重机表面的夹角（θ＜90°）.

流场中风作用方向固定于z轴向，通过旋转门机来实现不同风向角作用的工况，以此研究不同风向角下门机在三坐标轴向的受力情况.图5～图7分别为门机在y轴向即竖直向的上升力、z轴即顺风向的阻力和绕x轴倾覆力矩的数值模拟结果和按规范计算结果[11]的比对曲线.从图中可以看出，仿真结果在数值大小和趋势上都与按《规范》计算的结果吻合较好，两种结果的相关系数为0.992，验证了数值模拟方法的可行性.风载荷和倾覆力矩按《规范》计算的结果要比仿真结果略大，这是因为《规范》中对于工作风载荷采用静载荷处理，为使公式计算结果达到真实风载大小，对各个参数的取值偏大，相对保守.而实际情况中存在钝体绕流，在门机横梁、圆形立柱等结构背风面有漩涡产生，局部的风转向回流，风速减小，风载荷局部损失增大，这些复杂的流场情况是《规范》中无法考虑到的.

图5竖直向风载荷值Fig.5 Vertical wind load value

图6顺风向风载荷值Fig.6 Downwind wind load value

图7绕x轴向倾覆力矩值Fig.7 Overturning moment value around x axis

2 门机结构流固耦合分析

通过ANSYS workbench数据交换平台的system coupling模块将流场和结构场耦合，采用顺序求解方式依次求解流体计算域和固体计算域，流场和结构场的数据交换通过流体、固体各自耦合面上的网格相互映射实现[12].门机外表面设为流固耦合边界，端梁底部设为全约束，将流场仿真计算的风压结果加载到门机结构上，可得工作状态风载荷从不同方向作用于门机时结构的响应特性，得出相关物理量的最大值，结果如表1所示.

表1各风向角下结构场和流场各物理量的最大值Tab.1 Maximum values of physical quantities of structure field and flow field at each wind direction angle

从表1中可以看出，门机所受最大应力和最大变形随风向角改变呈一定规律：风向角由0°到90°时，其值增大，90°到180°时，其值减小.90°风向角时，门机最大应力和最大变形出现下降趋势，因为受结构之间相互遮挡影响，与60°、120°风向角时相比，风速减小，风载荷沿程损失增加[11].0°和180°风向角时，来流方向沿着臂架伸长方向，门机在来流方向的正投影面积最小，遮挡效应影响最大，所以风载荷对结构的影响最小.由于真实流场中存在钝体绕流和遮挡效应，不同风向角下门机表面静压强与最大应力并不成正相关分布.其中，由于门机臂架结构类似于悬臂梁，所有方向角对应的最大变形位置都位于臂架前端.0°和180°风向角的最大应力位于拉杆上，其它风向角时位于桁架和臂架连接处.

3 结论

本文对港口单臂门座式起重机进行数值模拟和流固耦合分析，研究工作状态风载荷从不同方向角作用时结构的风致效应，并将仿真分析结果与《规范》中按公式计算结果比对，两者在变化趋势和数值上有较好的一致性，由此验证了此方法应用于起重机风载荷分析的可行性.而且相比于《规范》中静压风载处理方法，本文的方法可以考虑复杂结构的钝体绕流和遮挡效应，数值模拟的流场条件更近似于真实的门机外界风场，以此得到的结构分析结果更贴合实际情况，可作为港口起重机检测维护、排查安全隐患的参考，具有实际的工程意义.同时，也可将该方法用于分析非工作状态风载荷和强风作用时，起重机的风载荷响应.