風(fēng)對(duì)大型港口機(jī)械的脈動(dòng)效應(yīng)研究

摘要：近些年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量貨物以及集裝箱的全球運(yùn)輸對(duì)于港口機(jī)械的效率和工作環(huán)境都逐漸提出了更高的要求，港口機(jī)械在運(yùn)行狀態(tài)下除了風(fēng)載之外還需要同時(shí)承受很大的垂向荷載，以及由于工作裝置運(yùn)動(dòng)所引起的橫向荷載，大懸臂和高強(qiáng)鋼等一系列的新技術(shù)的投入使用也大大減輕了工程機(jī)械的整機(jī)重量，從而極大地提高了工作的效率，同時(shí)，也很好地促進(jìn)了我國(guó)港口機(jī)械向著大型化的趨勢(shì)發(fā)展。本文主要講了風(fēng)對(duì)大型港口機(jī)械的脈動(dòng)效應(yīng)研究現(xiàn)狀以及風(fēng)機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的特征分析等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：大型港口機(jī)械 脈動(dòng)效應(yīng) 現(xiàn)狀研究 工程實(shí)例

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的關(guān)注度越來(lái)越高，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，在我國(guó)，風(fēng)能資源非常豐富，并且具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?dāng)前，我國(guó)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也開(kāi)始得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，兆級(jí)大型風(fēng)機(jī)本身具有工作風(fēng)速范圍廣泛、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，塔架和葉片的柔性大的特點(diǎn)，為了能夠充分保證大型風(fēng)機(jī)的安全性，設(shè)計(jì)者在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就必須在風(fēng)荷載的作用下加強(qiáng)動(dòng)力分析，對(duì)海上的風(fēng)力發(fā)電塔進(jìn)行脈動(dòng)效應(yīng)研究和分析具有積極的影響。

1 風(fēng)對(duì)大型港口機(jī)械的脈動(dòng)效應(yīng)研究現(xiàn)狀

大型港口的機(jī)械工作大多處于近岸海域或者是碼頭的前沿，其中風(fēng)的影響是不容被忽視的，在傳統(tǒng)的港口機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，風(fēng)載通常會(huì)按照靜載處理，往往就忽視了風(fēng)本身的脈動(dòng)效應(yīng)，這就需要在有限元建模的基礎(chǔ)之上來(lái)模擬脈動(dòng)的風(fēng)荷載，對(duì)大型機(jī)械在工作狀態(tài)以及非工作狀態(tài)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)作出預(yù)測(cè)，并將其與傳統(tǒng)風(fēng)載處理為靜載的相關(guān)方法進(jìn)行對(duì)比研究，實(shí)踐證明，當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，風(fēng)的脈動(dòng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力變化值影響并不大，主要影響就表現(xiàn)在最大的應(yīng)力點(diǎn)分布的空間上，對(duì)于支座反力沒(méi)有產(chǎn)生很大的影響；當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，風(fēng)的脈動(dòng)效應(yīng)往往會(huì)使的支座反力出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，在這時(shí)，平均值已經(jīng)不能用來(lái)充分衡量整個(gè)結(jié)構(gòu)所具有的安全性，需要對(duì)時(shí)間歷程和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行同時(shí)關(guān)注。

港口機(jī)械大多都是在近岸海域或者是碼頭前沿進(jìn)行工作，往往需要承受很大的風(fēng)載，與一般的土木結(jié)構(gòu)不同，港口機(jī)械在運(yùn)行狀態(tài)下除了風(fēng)載之外還需要同時(shí)承受很大的垂向荷載，以及由于工作裝置運(yùn)動(dòng)所引起的橫向荷載，近些年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量貨物以及集裝箱的全球運(yùn)輸對(duì)于港口機(jī)械的效率和工作環(huán)境都逐漸提出了更高的要求，大懸臂和高強(qiáng)鋼等一系列的新技術(shù)的投入使用也大大減輕了工程機(jī)械的整機(jī)重量，從而極大地提高了工作的效率，同時(shí)，也很好地促進(jìn)了我國(guó)港口機(jī)械向著大型化的趨勢(shì)發(fā)展。自然風(fēng)主要包括兩個(gè)重要組成部分，一個(gè)是平均風(fēng)，一個(gè)是脈動(dòng)風(fēng)，對(duì)于一些輕柔的港口機(jī)械來(lái)講，脈動(dòng)風(fēng)對(duì)于結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響是較為顯著的。

2 工程實(shí)例

2.1 某大型岸邊集裝箱的有限元模型和起重機(jī)

本節(jié)主要以某大型的岸邊集裝箱所帶有的起重機(jī)為主要研究對(duì)象，其機(jī)臂架的長(zhǎng)度大約為140m，軌距大約為35m，門(mén)框的高度大約為80m，不僅軌距大而且懸臂長(zhǎng)，在有限的元建模當(dāng)中，結(jié)構(gòu)主體主要是利用三維梁的單元進(jìn)行模擬，對(duì)用桿單元進(jìn)行前后拉桿，利用質(zhì)量單元模擬岸橋工作機(jī)構(gòu)中的質(zhì)量貢獻(xiàn)，圖1即為岸邊集裝箱的有限建元模型，模型中的材料彈性模量選擇210Gpa，泊松比選取0.3，而阻尼比選取2%，將約束施加在底部的支座上，分別約束3個(gè)方向的自由度。

對(duì)岸邊集裝箱的起重機(jī)機(jī)構(gòu)模型加以模態(tài)的分析，就可以得到結(jié)構(gòu)所含有的模態(tài)參數(shù)，通過(guò)研究表明，在5階的模態(tài)計(jì)算結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有4階模態(tài)會(huì)表現(xiàn)出臂架震動(dòng)，說(shuō)明集裝箱的臂架震動(dòng)很容易被激發(fā)。

2.2 荷載的組合

起重機(jī)在正常的工作狀態(tài)下以及不正常的工作狀態(tài)下，其支座的反應(yīng)力以及應(yīng)力需要進(jìn)行細(xì)致的分析，起重機(jī)在正常的工作狀態(tài)時(shí)，需要承受側(cè)向的風(fēng)載荷、豎向的風(fēng)載荷以及慣性載荷，其工作載荷需要考慮到起升的動(dòng)載系數(shù)在600kN，當(dāng)處于非工作狀態(tài)的時(shí)候，起重機(jī)往往只能承受側(cè)向的風(fēng)載荷。

2.3 結(jié)果分析

當(dāng)處于工作狀態(tài)下時(shí)，岸橋腳的支點(diǎn)會(huì)沿著y的方向做出支反力的響應(yīng)，支反力所表現(xiàn)出的時(shí)間歷程不會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，并且各支點(diǎn)的支反力其標(biāo)準(zhǔn)差非常小，并且各支點(diǎn)的支反力數(shù)值均大于零，因此其結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)傾覆的現(xiàn)象。當(dāng)處于非工作的狀態(tài)下時(shí)，其結(jié)構(gòu)往往就不能再承載慣性載荷以及工作載荷，這時(shí)風(fēng)載荷就會(huì)變成主導(dǎo)的載荷，不需要考慮風(fēng)的脈動(dòng)效應(yīng)。

3 風(fēng)機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的特征分析

3.1 脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)

在大氣邊界的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)具有很強(qiáng)的非平穩(wěn)隨機(jī)性，尤其是在中性的大氣當(dāng)中，脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)自身所具有的特性實(shí)際上是由海拔高度以及地表的粗糙程度所決定的，典型性的地表粗糙長(zhǎng)度如下表1所示，其中地表的粗糙長(zhǎng)度用長(zhǎng)度Z表示。

我們可以將脈動(dòng)風(fēng)看成是三維的風(fēng)湍流，并且將其奉承垂直、橫風(fēng)向和順風(fēng)向三個(gè)不同方向上所表現(xiàn)出的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，其脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)所表現(xiàn)出的能力特征主要是以不同方向上的功率譜密度函數(shù)來(lái)進(jìn)行描述的。

3.2 對(duì)風(fēng)機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的分析

可以采用有限元法來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，并將他家分別等效設(shè)置四個(gè)集中點(diǎn)，葉片等效設(shè)置三個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)，這些等效質(zhì)點(diǎn)就是在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)所要輸入脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程的一些計(jì)算點(diǎn)，風(fēng)機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)主要可以表現(xiàn)為兩大部分，一種是葉片脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，一種是塔架脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，從脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中的三維功率特點(diǎn)來(lái)看，垂直脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和側(cè)向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的能力較低，而能量較高的就是順風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，塔架是一種倒錐形的鋼塔筒，其各個(gè)方向的剛度是一致的，葉片始終會(huì)出現(xiàn)迎面風(fēng)的方向，這就使得垂直向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和側(cè)向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)于葉片和塔架的影響不大，甚至可以忽略其脈動(dòng)的影響，相比較而言，順風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)能量是較高的，也是塔架和葉片所受的最主要的脈動(dòng)荷載。

大量的觀測(cè)研究證明，風(fēng)場(chǎng)具有很大的空間相干性，因此，在對(duì)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究時(shí)首先就必須要考慮到空間的相干效應(yīng)，大量的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果證明，不管是在垂直方向還是在水平方向上，當(dāng)某一點(diǎn)正在承受在巨大的風(fēng)速時(shí)，如果距離該點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，那么多承受這一風(fēng)速的概率就會(huì)相對(duì)減小，這就說(shuō)明相干函數(shù)是符合指數(shù)函數(shù)的分布的，并且同計(jì)算點(diǎn)所處的空間距離有一定的關(guān)系。由此可以得出結(jié)論，在海上風(fēng)機(jī)脈動(dòng)風(fēng)速的模擬過(guò)程當(dāng)中，必須要充分考慮到垂直向和順風(fēng)向計(jì)算點(diǎn)的一些相干性問(wèn)題，其相干函數(shù)必須是二維的相干函數(shù)。作為隨即模擬過(guò)程中的一種近似的、離散的數(shù)值模擬方法，諧波疊加法可以通過(guò)計(jì)算目標(biāo)譜和譜的對(duì)比過(guò)程中得出結(jié)果，實(shí)踐證明，這種方法其精度是可以被接受的。在使用諧波疊加法時(shí)，所選取的隨機(jī)數(shù)對(duì)模擬的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響，加強(qiáng)對(duì)隨機(jī)數(shù)選擇的原則進(jìn)行確定是以后需要繼續(xù)研究的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

在有限元建模研究的基礎(chǔ)上，與脈動(dòng)風(fēng)速的模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)的脈動(dòng)效應(yīng)所能對(duì)大型港口機(jī)械承載能力產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，證明在工作狀態(tài)下，海上風(fēng)的脈動(dòng)效應(yīng)所能對(duì)大型港口機(jī)械產(chǎn)生的應(yīng)力值影響并不大，其所能產(chǎn)生的影響體現(xiàn)在空間上最大應(yīng)力點(diǎn)是如何分布的，并且對(duì)支座反力所產(chǎn)生的影響也較小，隨著時(shí)間的波動(dòng)支反力變化較小；當(dāng)處于非工作的狀態(tài)時(shí)，在這時(shí)，平均值已經(jīng)不能用來(lái)充分衡量整個(gè)結(jié)構(gòu)所具有的安全性，風(fēng)的脈動(dòng)效應(yīng)所能對(duì)大型港口機(jī)械產(chǎn)生的支反力影響較大，并且支反力在這時(shí)也會(huì)表現(xiàn)出很大的波動(dòng)，因此需要對(duì)時(shí)間歷程和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行同時(shí)的關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚利波，張贊云.港口起重機(jī)械作業(yè)注意事項(xiàng)及安全管理協(xié)調(diào)分析[J].價(jià)值工程.2010(15).

[2]白鵬.淺析港口大型起重機(jī)械如何防風(fēng)[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊).2012(06).

[3]宋桂江.黃驊港三期筒倉(cāng)工藝及安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊).2012(07).

作者簡(jiǎn)介：李浩，男，(1982-)，河北辛集人，助理工程師，研究方向：煤炭港口機(jī)械（取料機(jī)、裝船機(jī)）。