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摘 要:为研究风载荷对浮式起重机的影响,运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),计算上海振华重工(集团)股份有限公司7 500 t浮式起重机在暴风、航行、工作状况下的风载荷.与按《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)计算的风载荷进行比较,《起重机设计规范》的计算风载荷偏保守,安全因数过大.计算结果可为浮式起重机设计提供参考.
关键词: 计算流体动力学; 浮式起重机; 风载荷
中图分类号:U653.921; TU311.3; TU312.1文献标志码:A
Wind load calculation of 7 500 t floating crane
DONG Dashan1, WANG Sheng1,2, MEI Xiao1
(1.Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China;
2.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd., Shanghai 200120, China)
Abstract:
In order to study wind load effect on floating cranes,wind load of a floating crane, which is made by Shanghai Zhenhua Hey Industry Co.,Ltd. with a hoisting ability of 7 500 tons, is calculated under the conditions of storm, sailing and working, using the method of Computational Fluid Dynamics (CFD). Comparing with the result that is calculated according to Design Standards for Cranes (GB/T 3811—2008), the result that is calculated according to Design Standards for Cranes is conservative, and the safety factor is too large. The result provides a reference for the floating crane design.
Key words:computational fluid dynamics; floating crane; wind load
0 引 言
2008年,上海振华重工(集团)股份有限公司生产出起重量居世界第1的7 500 t全回转自航浮式起重机.[1]随着经济的发展,浮式起重机向大型化方向发展,并越来越显现出高、大、细、长的柔性特点.由于浮式起重机在海上作业,其迎风面积大、重心高,对风载荷的响应敏感,风致振动现象明显,容易造成恶性事故.目前,国内外对起重机风载荷和风振问题的研究较少,因此,现行规范能提供的条款内容有限,起重机结构抗风设计缺乏足够的科学依据.随着科学技术的发展,可以用仿真模拟实现对浮式起重机的风载荷的计算.1 计算风工程
计算风工程是近20年来发展起来的1门数值计算方法.基于空气动力学原理,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术,用数值模拟方法计算大气边界层中的钝体绕流现象.数值模拟较传统的风洞试验有以下优点[2]:
(1)费用低、周期短、效率高;
(2)可方便地改变各种参数,探讨各种参数对结构抗风性能的影响,在结构初步设计中极为重要;
(3)基本不受结构尺度和构造影响,尽可能真实地模拟实际结构的构造以及所处的大气边界层风场环境;另外,可进行全尺度模拟,克服试验中难以满足雷诺数相似的问题;
(4)可利用丰富的可视化工具,提供风洞试验无法提供的绕流流场信息.
由于风和结构相互作用的复杂性,利用CFD技术得到的结果必须与用其他方法得到的结果相互比较,本文研究采用数值模拟和起重机设计规范计算相比较的方法,综合考察不同工况下浮式起重机的风载荷,所得结果可用于指导起重机的结构设计.
2 浮式起重机风载荷计算
图1为上海振华重工(集团)股份有限公司7 500 t浮式起重机实体模型.为得到作用在其上的真实风载荷特性,本文数值计算模型按1∶1进行建模.
图1 浮吊实物模型
2.1 模型的建立和网格化
本文数值模拟的几何模型保留所有对风载荷有影响的几何信息,包括连接处的微小结构(这些微小的连接处直接暴露在风场中且不依附结构尺寸较大的构件,对风载荷的计算有一定影响),从而确保数值计算的结果的真实性.该浮吊的体型尺寸:长度X等于145 m,宽度Z等于27 m,高度Y等于75 m.计算流域:长度L等于800 m,宽度B等于200 m,高度H等于200 m.
该模型的网格化如下:
(1)网格划分采用网格生成工具ANSYS ICEM CFD 5.1;
(2)考虑到浮式起重机结构的复杂性,采用四面体网格划分,在保证计算精度的前提下,提高网格效率;
(3)考虑到地面摩擦对风速的影响,在靠近地面的地方加密网格,以适应边界层.
图2～4为浮式起重机四面体网格示意图和局部放大图.四面体网格总数为1 100万个.
图2 风场整体网格
图3 浮式起重机网格放大
图4 浮式起重机臂架网格放大
2.2 边界条件的设置
数值计算设置在25 ℃的环境中进行,进口速度的设置参考《起重机设计规范》[3],进口速度函数表达式为[SX(]V(H)[]V(10)[SX)]等于H100.2(1)式中:V(H)为高度H处的风速;V(10)为10 m高处的风速;H为距离地面的高度.
出口采用环境压力边界条件,出口压力为1标准大气压.考虑壁面黏性对流体运动的影响,对风洞的四周和浮式起重机表面都设置为无滑移墙.
2.3 求解工况
采用图5所示的坐标系Oxyz,坐标系的原点O在浮吊底部中心点的地表面上,y轴向上,x轴沿浮吊臂架在水平面投影轴向,z轴方向满足右手法则.α为臂架仰起的角度,φ等于0°时,风沿着臂架正方向;当φ角为正时,表示浮吊逆时针旋转;当φ角为负时,表示顺时针旋转.
图5 浮吊求解工况坐标轴
当V(10)分别为50 m/s(暴风工况),26 m/s(航行工况)和17.1 m/s(工作工况)时,计算沿臂架和垂直于臂架的风载荷.设置1个沿风速方向作用在浮式起重机上风载荷的监控点,收敛残差为10-4,迭代步数为100步时收敛.
2.4 数值计算结果
2.4.1 压力场和流场分布
(1)风速为50 m/s,臂架水平(α等于0°),风向沿臂架方向(φ等于0°),浮式起重机表面压力和浮式起重机中截面风速分布分别见图6和7.(2)风速为26 m/s,臂架水平(α等于0°),风向沿臂架方向(φ等于0°),浮式起重机表面压力场和浮式起重机中截面上风速分布见图8和9.(3)风速为17.1 m/s,臂架水平(α等于71.20°),风向沿臂架方向(φ等于0°),浮式起重机表面压力和浮式起重机中截面风速分布见图10和11.
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参考文献：
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