基于Pro/E和CFD計算大型造船門式起重機風載荷

王 晟

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

基于Pro/E和CFD計算大型造船門式起重機風載荷

王 晟

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

利用三維建模軟件Pro/E建立大型造船門式起重機模型，網(wǎng)格化后導入流體動力學CFD軟件中計算造船門式起重機的風載荷。與依據(jù)《起重機設計規(guī)范》(GB/T3811—2008)計算的風載荷值相比較，發(fā)現(xiàn)《起重機設計規(guī)范》計算的數(shù)值偏于保守和系數(shù)取值過大，某些局部風載荷增大情況不能準確的反映。該計算方法為大型門式起重機設計提供參考。

流體動力學;大型門式起重機;風載荷

大型造船門式起重機(以下簡稱門機)是船塢區(qū)分段合攏吊裝必不可少的起重設備，近幾年有朝著超大起重量、超大跨度發(fā)展的趨勢。門機的安全是船廠正常生產(chǎn)的重要前提，統(tǒng)計分析最近幾年門機的安全事故，其中風載荷對門機的影響是一個比較重要的因數(shù)。因此，對于門機的風載荷計算分析是十分必要的。

門機結構主要包括主梁、剛性腿和柔性腿。雙箱梁結構是門機主梁的一種典型結構，應用非常廣泛。目前，最大門機的高度達100多米，主梁的梁高接近15 m，重量超過5 000 t，如此的龐然大物對風載荷非常敏感。本文以某船廠抬吊800 t，跨度為133 m，梁底高為75m，總重為3 250 t的門機為例，利用計算流體動力學(CFD)技術計算其風載荷，并與《起重機設計規(guī)范》(GB/T3811—2008)(以下簡稱為《規(guī)范》)相比較，分析產(chǎn)生差異的原因，為以后的相關設計提供參考。

1 計算風工程簡介

計算風工程是一種近二十年才發(fā)展起來的數(shù)值計算方法。它基于空氣動力學理論，采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術，用數(shù)模方法計算大氣邊界層中的鈍體繞流現(xiàn)象，從而形成的一門新興的交叉學科研究方法。相對于試驗研究方法，計算風工程具有以下獨特的優(yōu)勢:(1)數(shù)值模擬成本低、周期短、效率高;(2)數(shù)值模擬可以采用參數(shù)化建模方法，方便參數(shù)的改變;(3)基本不受結構尺度和構造的影響，可以構建原型尺寸的計算模型，避免了風洞試驗中只能進行縮尺試驗的不足，克服試驗中難以滿足雷諾數(shù)相似的困難;(4)數(shù)值模擬的結果可以利用流場和壓力場等可視工具，提供了風洞試驗無法提供的繞流和遮擋效應的信息。本文中采用成熟的計算流體動力學軟件——ANSYS CFX(以下簡稱CFX)計算門機的風載荷。

2 門機風載荷計算

門機主要由主梁、剛性腿和柔性腿、維修吊、上小車、下小車和大車運行機構組成。由于計算機配置的原因，本文中門機主要取主梁、剛性腿和柔性腿作為計算的對象。參照該門機設計圖紙，利用Pro/E建立該門機的模型，如圖1所示。

2.1 模型的建立和網(wǎng)格化

應用ANSYSWorkbench進行風載荷計算，建模過程中會耗費很多時間與精力。雖然ANSYS Workbench帶有自建模功能，但是功能非常有限，只能處理一些相對簡單的模型，而處理復雜的模型就顯得功能不夠。Pro/E三維造型軟件擁有強大的參數(shù)化設計能力，可以進行復雜的實體造型。CFX的長處在于進行風載荷的計算和風振的分析;而Pro/E的優(yōu)勢在于三維設計造型。因此，將Pro/E與CFX結合起來使用，可以很好的解決CFX建模功能不足，提高建模的準確性、快捷性和方便性。

本文考慮計算機的實際情況，按照施工的設計圖紙建立門機的實際尺寸模型。由于構件的迎風面是對風載荷影響的主要因數(shù)，因此提出該模型的面導入網(wǎng)格生成工具ANSYS ICEM CFD 5進行網(wǎng)格化。考慮門機結構截面形式不一樣，將不同的部件分成不同的族進行網(wǎng)格化，并根據(jù)構件幾何特征設置網(wǎng)格的大小。網(wǎng)格完成后的模型如圖2～圖4所示。

2.2 邊界條件設置

圖1 門機Pro/E模型Figure 1 Pro/Emodel of gantry crane

圖2 門機數(shù)字風洞網(wǎng)格模型Figure 2 Numericalwind tunnel griddingmodel of gantry crane

圖3 門機網(wǎng)格模型圖Figure 3 Grid model of gantry crane

計算介質為25℃的空氣，進口速度的設置參照《規(guī)范》風的指數(shù)分布曲線。由于門機主要是處于陸地上，因此以10 m高度處的垂直平均風速作為基準，得到進口風速函數(shù)表達式為:

圖4 柔性腿網(wǎng)格放大圖Figure 4 Grid enlargement of flexible stand

式中，V(H)是H高度的風速(m/s);V10是10 m高度的平均風速(m/s);H是離地的高度(m)。

出口根據(jù)實際情況，設置為環(huán)境壓力邊界條件，平均靜壓為零，參考壓力為1個大氣壓，湍流強度設置為中等0.05。考慮四周壁面粘性對空氣流動的影響，對數(shù)字風洞的四周壁面和門機表面都設置為無滑移墻。

2.3 工況

根據(jù)設計風載荷的實際情況，分別計算風沿大車運行方向(+Z向)，風垂直于大車運行方向(+X向)。分別計算門機的主梁、剛性腿和柔性腿的風載荷。

對應V10分別為20 m/s(工作工況)，40 m/s(非工作工況)，55 m/s(極限暴風工況)的風速。設定CFX收斂殘差為10－4，整個迭代步數(shù)為100步。

2.4 數(shù)值計算結果分析

2.4.1 壓力場和流場分布

風速為20 m/s，風向+Z向，作用在門機上的壓力場和流場見圖5、圖6。

圖5 門機表面壓力分布(相對參考壓力1atm)Figure 5 Surface pressure distribution of gantry crane

圖6 門機中截面流場分布圖Figure 6 Section flow field distribution of gantry crane

由圖5和圖6可以看出，作用在門機的迎風面產(chǎn)生的風壓和風載荷最大，門機的背風面產(chǎn)生的風壓相對較小，有些區(qū)域還形成負壓區(qū)，產(chǎn)生反作用力。對應的主梁結構中，前梁受到很大的風載荷，此時的動量(速度和質量的乘積)占據(jù)前梁風載荷的絕對位置;后梁動量相對較小，兩者產(chǎn)生壓力差。由圖4可以看出前梁與后梁的間隔區(qū)域和后梁前表面形成負壓區(qū)，風轉向回流，局部風速出現(xiàn)增大的情況，這些情況與實際情況相吻合。然而《規(guī)范》中對應的計算方法沒有體現(xiàn)流體的此種現(xiàn)象，與實際的情況不符。

2.4.2 門機的風載荷計算

《規(guī)范》中計算工作狀態(tài)的風載荷:

PwⅡ=CpA=0.625CV2A (2)非工作狀態(tài)的風載荷:

PwⅢ=CKhpⅢA=0.625CKhV2A (3)式中，PwⅡ是按照規(guī)范計算工作狀態(tài)的風載荷(N);C是風力系數(shù);V是風速(m/s);A是迎風面積(m2);PwⅢ是非工作狀態(tài)的風載荷(N);Kh是風壓高度變化系數(shù);p是風壓(Pa)。

《規(guī)范》計算時考慮了門機雙主梁之間的擋風折減系數(shù)，風速和CFX入口的風速設置相同。

CFX計算后處理中，通過對門機的表面數(shù)值積分，得到作用在門機主梁、剛性腿和柔性腿的風載荷。與《規(guī)范》計算門機的主梁、剛性腿和柔性腿的風載荷相比，計算誤差如表1～表3所示。

表1 CFX計算的門機主梁風載荷與規(guī)范計算的主梁風載荷比較Table 1 W ind load values com parison between CFX calculation and the Specification calculiation of cranemain girder

表2 CFX計算的門機剛性腿風載荷與規(guī)范計算的剛性腿風載荷比較Table 2 W ind load values com parison between CFX calculation and the Specification calculation of crane rigid stand

表3 CFX計算的門機柔性腿風載荷與規(guī)范計算的柔性腿風載荷比較Table 3 W ind load values com parison between CFX calculation and the Specification calculation of crane flexible stand

從表1～表3的數(shù)值和誤差的計算中可以得出，CFX計算門機部件的風載荷比《規(guī)范》計算的風載荷小20%～40%;主梁和柔性腿在風沿著大車軌道方向，兩者的誤差相對較大;剛性腿計算的風載荷誤差比主梁、柔性腿的誤差小。

2.5 誤差原因分析

圖7以主梁中截面風速矢量為例，當風作用前梁表面時，前梁受到較大的風壓和風載荷，此時動量(質量和速度的乘積)作用占據(jù)前梁風載的大部分比例。風的速度矢量以較大的繞角繞過前大梁的上、下表面，造成了前梁上、下表面局部風速增大(見圖7)，而前、后大梁之間的間隔區(qū)域的風壓形成負壓(見圖8)。前后大梁之間的壓強梯度使后梁局部的流體回流至中間區(qū)域，但是此時回流的速度矢量與前梁的速度矢量小很多。后梁的壓強差所導致的前后大梁之間間隔區(qū)形成負壓，使得后梁產(chǎn)生反力(見圖8)。

圖7 主梁中截面風速矢量圖Figure 7 Wind speed vector diagramofmain girder section

圖8 主梁中截面風壓分布圖Figure 8 Wind pressure distribution ofmain girder section

圖7中的主梁中截面風速矢量圖，比較實際的反映了主梁在風場符合“鈍體繞流”的基本規(guī)律。由于存在“鈍體繞流”現(xiàn)象，在背風面形成漩渦，湍流，使風載荷的局部損失增大，局部的風壓相對較大，風速相對減小，使得計算的風載荷比《規(guī)范》計算較小。

由圖8可得，在主梁的迎風面，產(chǎn)生的壓力較大，而在其背風區(qū)風壓較小，反映了主梁的前梁對后梁的“遮擋效應”。后梁表面和間隔區(qū)的負壓主要是由于流體流動分離造成的?！罢趽跣笔癸L載荷的沿程損失增加，形成負壓，作用在背風區(qū)的風速減小，其風載荷相對《規(guī)范》計算較小。

由于主梁和柔性腿在風沿著大車軌道方向上，存在的“鈍體繞流”和“遮擋效應”相對影響較大，剛性腿方向的影響相對較小。因此，主梁和柔性腿在風沿著大車軌道方向上，計算的風載荷的數(shù)值與《規(guī)范》計算數(shù)值誤差相對較大，剛性腿的計算誤差相對較小。這與前面表格中計算結果相符，也從側面驗證了CFD計算的風載荷比《規(guī)范》計算的風載荷更符合實際情況，進一步驗證了計算的準確性。

3 結論

本文基于Pro/E建立門機的CAD模型，網(wǎng)格化后導入CFX中，設置邊界條件，按照《規(guī)范》設置同等條件的風速，最后通過對該門機的表面數(shù)值積分，得到作用在其表面的風載荷。與依據(jù)《規(guī)范》計算的風載荷數(shù)值相比較，并找出產(chǎn)生差異的原因，為設計作參考。

(1)對應單根大型門式起重機的部件，利用CFX和《規(guī)范》計算的風載荷數(shù)值相差不大，但是對應的大型門式起重機整體計算的風壓和風速與單根部件有這巨大的差別。由于存在“鈍體繞流”現(xiàn)象，使得構件的局部風壓增大;存在“遮擋效應”，使得后方構件的風壓遠小于前方構件。“鈍體繞流”和“遮擋效應”都產(chǎn)生能量的損失，使得計算的風載荷數(shù)值相對于《規(guī)范》較小。

(2)通過CFX計算的風載荷的分析可得，由于大型造船門式起重機的構件之間的相互干擾現(xiàn)象，使得局部的風速和風壓存在增大的情況。因此，對于大型造船門式起重機的非工作工況和暴風工況要對風載荷進行相應的評估、預測，避免風載荷對該類型的起重機的局部的破壞。

(3)CFX計算門機部件風載荷的數(shù)值比《規(guī)范》計算的風載荷數(shù)值小20% ～40%，發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》風載荷計算方法保守和取值系數(shù)過大。對于《規(guī)范》中的風力系數(shù)和擋風折減系數(shù)可以做更進一步的分析和優(yōu)化，可以得到更優(yōu)的結果，對于以后的設計可以節(jié)省相應的材料和人工。

(4)CFX計算中得到的大型造船門式起重機的流場和壓力場分布，使設計人員可以得到流體流向和壓力場梯度，對于該類型的起重機的風載荷分析有一個比較深刻的分析。這是CFX相對于《規(guī)范》計算一個明顯的優(yōu)點。

(5)采用Pro/E和CFD計算大型造船門式起重機的風載荷具有通用性，對應于其他類型的起重機同理可以采用此方法，能夠得到一個較優(yōu)的結果。

［1］王福軍.計算流體動力學分析.CFD軟件原理與應用.2004.

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［4］董達善，俞浩.典型起重機雙箱梁結構的CFD風載荷研究.中國工程機械學報，2009(1).

［5］ 符龍彪.北京當代MOMA風載及風環(huán)境數(shù)值模擬研究.土木工程學報，2008(3).

［6］馬驍鈞，甘明.空間結構的數(shù)值風洞計算.建筑學報，2005(4).

［7］時公賀，梁崗.基于Solid works和ANSYS的大型全回轉架梁起重機結構強度分析.計算機輔助工程，2009(3).

編輯 傅冬梅

Wind load Calculation of Heavy Duty Shipbuilding Gantry Crane Based on Pro/E and CFD

Wang Sheng

Heavy duty shipbuilding gantry cranemodel has been established by dealing with 3Dmodeling software Pro/E and after gridding and quoting fluid dynamics CFD software，wind load of shipbuilding gantry crane has been calculated.Comparing with wind load values calculated according to Design Specification of Crane(GB/T3811—2008)，it found thatvalues from the Specification tended to be conservative and coefficientwas excessive and some local wind load incrementwas notexact，therefore themethod provided in the paper could offer reference for heavy duty gantry crane design.

fluid dynamics;heavy duty gantry crane;wind load

TH213.4

A

2013—11—25