7500,t浮式起重机风载荷计算

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 Dashan1, WANG Sheng1,2, MEI Xiao1

(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 Heavy 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=145 m,宽度Z=27 m,高度Y=75 m.计算流域:长度L=800 m,宽度B=200 m,高度H=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)]=H100.2(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=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=0°),风向沿臂架方向(φ=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=0°),风向沿臂架方向(φ=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=71.20°),风向沿臂架方向(φ=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.

图6 浮式起重机表面压力分布

图7 浮式起重机中截面上风速分布图8 浮式起重机表面压力分布

图9 浮式起重机中截面上风速分布

图10 浮式起重机表面压力分布

图11 浮式起重机中截面上风速分布

由浮式起重机表面压力分布图可知,作用在迎风面上的风压比起重机设计规范值大.浮式起重机表面风压分布结果,较好地反映在不同风向下,浮式起重机构件之间相互干扰的效果.在迎风区,构件表面的正压最大;在背风区,构件正对风向的立面正压明显下降,反映前方构件的“遮挡”效应.构件表面的负压主要由流动分离造成.

由浮式起重机截面风速分布图可知,作用在浮式起重机表面的风速最大值与式(1)的计算结果相同,表明CFD计算结果的准确性.浮式起重机截面上风速分布结果,较好地反映风场符合“钝体绕流”的基本规律.在浮式起重机的拐角处,流动分离造成的气流加速使局部区域风速较高;而在背风区,风速较小.[4]

2.4.2 浮式起重机的风载荷

在用ANSYS CFD进行后处理时,通过对浮式起重机表面数值积分的方法,得到作用在浮式起重机的表面风载荷,其与实际设计的起重机风载荷比较见表1.

由表1可知,CFD计算浮式起重机的风载荷在沿臂架方向的差异比在垂直于臂架方向的差异大.原因为《起重机设计规范》未全面考虑“遮挡”效应和“钝体绕流”[5-7]效应.“遮挡”效应使流体的沿程损失增大,作用在背风区的构件风速减小,使作用在其上的风载荷减小;“钝体绕流”效应使流体的局部损失增大,在钝体绕流区域,局部的风速增大,风压减小,使作用在其上的风载荷也减小.

3 结束语

本文按照7 500 t浮式起重机的实体模型建模,进行CFD数值模拟.计算几个工况,得到作用在其上的速度流场和压力流场,并绘制压力和风速分布图.在后处理时,将作用在浮式起重机上的压力按数值积分的方法,得到作用在起重机的风载荷大小.

从风载荷角度看,浮式起重机单根构件的形体不复杂,可直接参照《起重机设计规范》设计,但浮式起重机整体风压和风速与单根构件有较大区别.“遮挡”效应使后方的构件表面风压低于前方构件,“钝体绕流”使局部构件表面风压增加,因此,设计浮式起重机的风载荷要考虑构件之间的相互影响.由于构件之间的相互干扰,使局部的风压、风速过大,对浮式起重机的结构产生很大的影响,对浮式起重机的风载荷的评估、预测以及控制非常重要.平常所参考的《起重机设计规范》计算风载荷偏于保守,而用CFD仿真计算简单可行且成本低、试验周期短.

参考文献:

[1]盛景荃. 振华港机7500吨浮吊面世[J]. 华东科技, 2008(6): 9-10.

[2]王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 3-4.

[3]机械工业部. GB 3811—1983起重机设计规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[4]符龙彪, 夏育颖, 肖从真, 等. 北京当代MOMA风载及风环境数值模拟研究[C] //中国建筑学会, 中国土木工程学会. 第19届全国高层建筑结构学术交流会论文集. 长春, 2006: 321-326.

[5]马骁钧, 甘明. 空间结构的数值风洞计算[C] // 中国土木工程学会. 第10届空间结构学术会议论文集. 北京: 中国建材工业出版社, 2002: 490-494.

[6]BORGES F J, CASTANHETA M. Structural safety labortorio nacional de

engenharia civil[J]. Lisbon, 1971: 11-13.

[7]MAES M, NESSIM M A. Examination of load combination for CSAM[J].

Report to the Canadian Standards Association, 1989: 251-257.

(编辑 陈锋杰)