门式起重机脉动风速时程模拟及流固耦合分析

发布时间：2017-06-29 16:20

  本文关键词：门式起重机脉动风速时程模拟及流固耦合分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型门式起重机结构轻柔自振频率低,属于风敏感性较强的大跨柔性结构类型,在风激作用下容易产生较大的振动和变形,风载荷往往是此类具有高度柔性和非线性结构设计中的主要控制载荷,同时也是计算大小车走行机构电机功率以及分析起重机稳定性的主要依据。目前针对起重机风工程的研究仍然薄弱,《起重机设计规范》GB/T3811-2008(以下简称《规范》)中对于风载荷的描述也较为简略。本文以某大型门式起重机为原型,基于流体动力学理论及结构有限元分析方法,从风振系数与起重机结构特征的对应关系、结构在风场作用下的耦合动力特性两方面探索起重机的风致效应。主要研究内容如下：1.借鉴桥梁领域风工程研究思路,基于随机振动理论并结合Monte-Carlo及Shinozuka谐波叠加法,利用MATLAB模拟顺风向Davenport风速谱；以风速时程模拟值为载荷数据,运用有限元方法研究门式起重机受脉动风作用的动态响应,对比分析工作状态和非工作状态两种工况下的静载荷与模拟风载荷的时程分析结果。研究发现相比传统静载荷处理方法,考虑风的脉动效应时对结构各部位的应力、位移有激励作用：工作状态下,承受工作载荷的柔性主梁结构受到较大的振动激励作用,主梁振动幅值增大较多；而非工作状态下更大的风压值对整机的稳定性影响更为显著。2.基于计算流体力学理论和CFX软件,构建80组不同尺度的门机模型,对大型双梁门式起重机进行数值风洞模拟计算,研究双梁结构在不同长细比、高宽比、间隔比下的风分压分布情况以及不同结构尺度下体型系数、挡风折减系数的变化规律,丰富《规范》中风振系数的数据谱；将国内外研究成果以及数值分析值对比分析,验证数值模拟方法的适用性,对我国《规范》取值的准确性进行评价。3.运用双向流固耦合方法对风与起重机结构的相互作用进行研究。首先基于气弹性风洞试验的几何相似性、动力相似性、来流条件相似性以及质量相似性的理论,建立耦合分析的气弹性模型,再利用Ansys Workbench平台并结合Fluent的System Coupling模块进行双向流固耦合计算。计算结果表现为起重机的风压云图、位移时程曲线等,验证双向流固耦合方法在起重机风振研究中的运用,同时将其与传统静载荷处理方法、模拟风速谱的瞬态分析方法结果进行对比。本文从以上三个方面研究自然风场中门式起重机的静载荷及动态响应,更加准确的量化风对起重机结构应力、位移产生的影响,研究结果表明《规范》中确定风载荷时采用了过大的体型系数显得保守,同时忽视了风载荷对起重机产生的振动作用,与自然风场中门式起重机实际受载状况有较大出入,故对于该方面的研究应予重视与加强。
【关键词】：门式起重机 风载荷 体型系数 双向流固耦合 风致效应
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH213.5
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 起重机风载荷研究的背景及意义11
• 1.2 风对结构的作用及影响11-12
• 1.3 风工程及其研究方法12-14
• 1.4 起重机风载荷研究现状14-17
• 1.5 论文研究主要内容17-19
• 第2章 门式起重机风载荷研究的理论基础19-29
• 2.1 结构风的基本特性19-22
• 2.1.1 基本风速20-21
• 2.1.2 非标准情况下风速与风压21-22
• 2.2 近地风特性22-25
• 2.2.1 平均风特性22
• 2.2.2 脉动风特性22-25
• 2.3 风速与风压的关系25-26
• 2.4 结构上的风载荷26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 基于风速谱模拟的门式起重机结构脉动特性研究29-36
• 3.1 项目简介29
• 3.2 风载荷的模拟29-32
• 3.2.1 谐波合成法29-31
• 3.2.2 风速谱模拟31-32
• 3.3 计算结果处理及总结32-35
• 3.3.1 计算结果处理32-34
• 3.3.2 脉动风速模拟时程分析结论34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 基于CFD的门式起重机体型系数规律研究36-48
• 4.1 CFD方法概述36-37
• 4.2 流体控制方程及数值模拟方法37-38
• 4.3 湍流模型38-40
• 4.3.1 数值计算方法38
• 4.3.2 湍流物理模型38-40
• 4.4 大型门式起重机风载荷计算40-43
• 4.4.1 模型建立40-41
• 4.4.2 计算域网格划分41-42
• 4.4.3 边界条件处理42-43
• 4.5 结果与分析43-46
• 4.5.1 体型系数变化规律44
• 4.5.2 数值模拟分析与国内外研究对比44-45
• 4.5.3 对挡风折减系数的研究45-46
• 4.6 结论46-47
• 4.7 本章小结47-48
• 第5章 基于FLUENT的门式起重机双向流固耦合分析48-62
• 5.1 ANSYS+FLUENT的双向流固耦合48-50
• 5.1.1 双向流固耦合数据传递48
• 5.1.2 FLUENT介绍48-50
• 5.2 建立起重机流固耦合气弹性模型50-53
• 5.2.1 风场-起重机的耦合数值模拟难点分析50
• 5.2.2 原板壳结构模型的模态分析50-51
• 5.2.3 起重机流固耦合模型的建立51-52
• 5.2.4 起重机模型的模态拟合52-53
• 5.3 双向流固耦合数值模拟计算53-56
• 5.3.1 Workbench中建立双向流固耦合项目示意图53
• 5.3.2 建立流固耦合风洞及划分网格53-54
• 5.3.3 边界条件及动网格设定54-55
• 5.3.4 计算求解55-56
• 5.4 数值模拟计算结果56-61
• 5.4.1 起重机结构计算结果分析56-57
• 5.4.2 流场计算结果分析57-61
• 5.5 本章小结61-62
• 结论与展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 附录68-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果71

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本文编号：498545