造船門式起重機(jī)流固耦合數(shù)值分析

秦 昊 ，湯曉英 ，杜彥楠 ，王繼峰

造船門式起重機(jī)多分布于各造船基地，多用于大型船體分段式建造過程中結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)場、搬運(yùn)等吊裝作業(yè)，該型設(shè)備位于長江口岸，地理位置屬于多風(fēng)地帶，由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積大這一特征，風(fēng)載荷是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的重要因素之一[1-3]。本文建立起重機(jī)三維整機(jī)幾何模型及風(fēng)場流體有限元模型，計算起重機(jī)風(fēng)場載荷，通過流固耦合方法分析起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，并與應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行對比，以期為起重機(jī)設(shè)計、監(jiān)督檢驗(yàn)及安全評估等提供科學(xué)依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)三維建模

起重機(jī)整機(jī)三維建模采用美國PTC公司軟件建模，其覆蓋概念設(shè)計、二維設(shè)計、三維設(shè)計、直接建模等領(lǐng)域的設(shè)計應(yīng)用程序，是CAD建模主流軟件之一。通過建立起重機(jī)真實(shí)三維模型，為后續(xù)仿真計算分析提供了建模依據(jù)。起重機(jī)包括主梁、剛腿及柔腿等主要部件，模型如圖1所示。

圖1 整機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)場流體分析

當(dāng)前在起重機(jī)工程設(shè)計以及安全評估中，涉及風(fēng)載荷部分多參照起重機(jī)設(shè)計規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，考慮設(shè)計工況中對應(yīng)風(fēng)速、結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積、風(fēng)力系數(shù)以及風(fēng)壓高度變化系數(shù)進(jìn)行靜載荷等效，相關(guān)計算過程復(fù)雜繁瑣且人為因素影響較大，對工程設(shè)計及安全評估存在一定風(fēng)險，本文中采用ANSYS/CFX直接進(jìn)行求解計算，獲得風(fēng)載荷結(jié)果后直接傳遞給結(jié)構(gòu)有限元模型，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性。

2.1 流場仿真分析平臺

起重機(jī)風(fēng)場流體計算是采用ANSYS/CFX模塊，該模塊擁有20年以上服務(wù)全球領(lǐng)先企業(yè)的歷史，屬于高端的計算流體力學(xué)商業(yè)軟件，能模擬流體流動、傳熱、多相流、輻射等物理現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、兵器、能源電力、石油化工等各行各業(yè)的研發(fā)和設(shè)計過程中。

2.2 流場有限元模型

通過建立起重機(jī)風(fēng)場仿真模型，如圖2所示，進(jìn)行流場分析，獲得起重機(jī)在風(fēng)場中流速及風(fēng)壓場分布物理數(shù)據(jù)，為后期起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析提供真實(shí)風(fēng)載荷。

圖2 起重機(jī)風(fēng)場有限元模型

考慮風(fēng)場分析的邊界影響，為確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，流場計算范圍520 m×280 m×430 m，流場計算規(guī)模有限元模型共計98 793個節(jié)點(diǎn)，552 945個單元。計算工況取工作狀態(tài)風(fēng)速取20m/s、風(fēng)向沿著大車運(yùn)行方向。

2.3 仿真計算結(jié)果

通過流場仿真分析，獲得如下結(jié)果，如圖3、4所示。在計算工況中，風(fēng)速隨高度梯度變化逐步增大，在大車及其橫梁位置風(fēng)速較小，主梁位置迎風(fēng)面風(fēng)速最大，達(dá)到31.36 m/s；風(fēng)壓隨高度梯度變化也逐步增大，由于大車及其橫梁位置風(fēng)速較小，相應(yīng)位置風(fēng)壓值較小，在主梁位置迎風(fēng)面風(fēng)速最大，相應(yīng)位置最大風(fēng)壓值達(dá)到255.9 Pa.

圖3 風(fēng)場整體速度場

圖4 起重機(jī)表面風(fēng)壓分布

流場計算獲得的載荷數(shù)據(jù)值，在ANSYS軟件中直接由流場無縫傳遞到結(jié)構(gòu)場計算中，作為結(jié)構(gòu)計算中載荷一部分，確保了載荷的準(zhǔn)確性和精確性。

3 流固耦合計算

流固耦合問題即同時考慮流體與結(jié)構(gòu)特性，以還原較為真實(shí)物理現(xiàn)象[4-5]。起重機(jī)實(shí)際工況中涉及結(jié)構(gòu)與流場多場耦合，為精確分析其在耦合場中的相互作用，需考慮結(jié)構(gòu)性載荷以及風(fēng)場流體載荷的同時影響。考慮起重機(jī)實(shí)際工況中的風(fēng)載影響情況，文中的仿真計算中的數(shù)據(jù)傳遞屬于單向耦合，即流場分析計算得結(jié)果傳遞給結(jié)構(gòu)分析，但是結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果不再傳遞回流體分析。

在ANSYS中建立整機(jī)有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從圖5及表1中數(shù)據(jù)看出，采取流固耦合方法計算獲得的仿真值與測試值偏差較小，具有良好的一致性，偏差范圍基本控制在4%~6%，說明一致性較好。也印證了在進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析時，針對工作狀況中的風(fēng)載荷計算處理，采用流固耦合進(jìn)行仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 整機(jī)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

表1 整機(jī)結(jié)構(gòu)計算值與測試數(shù)據(jù)對比（單位MPa）

4 結(jié)束語

本文以造船門式起重機(jī)為研究對象，建立真實(shí)三維結(jié)構(gòu)模型，并運(yùn)用流體分析及結(jié)構(gòu)有限元分析方法，獲得工作狀況下起重機(jī)流場風(fēng)速及壓力載荷數(shù)據(jù)，運(yùn)用ANAYS流固耦合分析方法，對起重機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)構(gòu)與應(yīng)力測試有較好的吻合性，并驗(yàn)證了分析計算流程，可為后期起重機(jī)監(jiān)督檢驗(yàn)及安全評估提供依據(jù)。

[1]吳學(xué)陽，程文明.大型門機(jī)在自然風(fēng)場中的脈動特性研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2016（9）：73-76.

[2]郭 慶，趙章焰.基于CFD的門座起重機(jī)風(fēng)載特性分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2017（3）：30-34.

[3]王 晟.基于Proe和CFD計算大型造船門式起重機(jī)風(fēng)載荷[J].中國重型裝備，2014（3）：19-22.

[4]徐承軍，陳德斌，張圣賢.門機(jī)流固耦合與數(shù)值風(fēng)洞的數(shù)值仿真模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，38（3）：86-91.

[5]邱惠清.集裝箱起重機(jī)的脈動風(fēng)場仿真及響應(yīng)分析[J].振動．測試與診斷，2013（1）：44-48.