大型门式起重机的风振特性研究

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门式起重机广泛应用于铁路货尝机车救援 、无缝钢轨焊接等场所。在起重机设计中风载荷-直是较为重要的-项载荷，它不仅是结构受力分析的重要载荷，同时也是计算大小车走行机构电机功率和分析门机稳定性的主要依据。传统的起重机设计是将风载荷作为-种静载荷作用于门架结构进行分析 ，但随着起重机起升吨位、跨度及高度的不断增大，风载荷的动态特性引起越来越多的关注。1979年，在宁波港镇作业区的两台 lOt门式起重机在非工作状态时因风振引起箱梁截面处拉杆断裂 ；天津港口、上海港口也出现过风载荷作用下起重机拉杆断裂事故l1l。对工作在多风灾害的露天场地的起重机，对其的风振特性进行研究就显得很有必要。

对风载荷的风振特性研究-般有以下四种方法：风洞实验、数值模拟仿真、理论研究、动态响应分析。风洞实验由于受其实验成本、场地、设备等限制，广泛应用于建筑、土木、汽车、飞机等行业，而在起重机行业应用较少。数值模拟仿真是利用计算流体软件对风厨行模拟仿真，在起重机行业还不够成熟。工程界对于结构的动态响应分析-般有时域和频域两种分析方法，虽然频域分析法方便迅速，但时域分析因其在复杂系统的非线性方面的优势以及其计算结果的精确直观并易于掌握结构的整机风振特性，更易被结构工程师所接受。通过对随机风载荷的的特性研究 ，模拟出风载荷的时程曲线用于门式起重机以下简称门机的风振特性研究。

2自然风载荷的特点自然风是由于大气中热力和动力现象的时空不均匀性，使相同高度上两点之间产生压力差所造成的回。大量实测气象资料表明，自然风-般可分解为平均风和脉动风口。平均风周期-般常在10min以上，脉动风周期-般只有几S到几十S o平均风的周来稿日期：2012-1 1-14基金项目：国家自然科学基金项目51175442；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目2010zT03；国家质检总局科技计划项目2010QK302作者简介：朱校，1987-，男 ，四川阆中人，在读硕士，主要研究方向：起重运输与物流装备技术；程文明，1963-，男，浙江东阳人，博士，教授，主要研究方向：物流装备与技术64 朱校等：大型门式起重机的风振特性研究 第9期期-般远远大于起重机的自振周期，故可以将平均风载荷作为静载荷进行计算。脉动风是由于自然风的不规则产生的，空间中任意点的脉动风速-般可认为是-个各态历经平稳的高斯过程，它的特征完全可以由功率谱密度函数确定141。故总风速可表示为： ， 1式中： -总风速：- 平均风速；，
- 脉动风速。

脉动风实际上是三维的紊流风场 ，包括顺风向、横风向和垂直风向的紊流。由于横风向和垂直向的紊流对结构的影响-般较小，人们主要研究顺风向紊流。在风工程界，广泛应用的顺风向水平脉动风速谱是加拿大学者Davenpo根据在世界不同地区、不同高度测得的 9O多次强风记录统计得到的 Davenpo谱tSl。

Davenpoa脉动风速功率谱已得到世界公认，很多国家的标准中均采用此风速谱，我国《建筑结构荷载规范》采用的也是此风速谱 。

其表达式为：S 4 。- 二- 2厂1 式中： ∽-脉动风速功率谱； 面粗糙系数 广-此地点10m高度处的平均风速 -脉动风频率；r-湍流积分尺度系数。

： - 2 3lO由伯努利方程可知风压与风速之间的关系：p 4式中：p-风压；p-空气密度，根据《起重机设计规范 以下简称《规范》可知， 取值为0.625。

将式1带入式4得：pl p 2 1 p 2 -p， 5式中：P 1 -平均风速作用下的平均风压；P
，1，
2
- 脉动风速作用下的脉动风压，-般认为脉动风速远小于平均风速，故可认为p/pvv/41。

根据脉动风压功率谱的定义和Wiener-Khintehine定理，可以得到脉动风压的功率谱为 ： so/6Kp - 6l帆 3静载荷分析根据《规范》 之规定，起重机设计中的风载荷计算就是验算在规定风速作用下，起重机能否安全可靠的工作。其计算风速为空旷地区离地 10m高度处的阵风风速，即 3s时距的平均瞬时风速 。不同时距风速之间的换算关系 ，如表 1所示。由表 1可知，《规范》 中规定风速非秤近其瞬时风速。

表 1不同时距风速之间的换算关系Tab.1 Conversion of Average Wind Speedswith Diferent Period of Time平均风速时距 lh 10rain 5min 2rain lmin 30s 20s 5s 3s瞬时统计比值 O.94 1 1.07 1.16 1.20 1.26 1.28 1.39 1.48 1.50以工作地点位于沿海地区的某 1200t门式起重机为研究对象，按71表 15取其工作状态下的计算风压为 250N/m2，不考虑其沿高度方向的变化。与其对应的计算风速为20m/s。为了考虑起重机金属结构的形状对风载荷的影响，《规范》7中用风力系数 c对其进行了修正。故计算风载荷的表达式为 ： Cpa 7式中：P-计算风载荷，其单位为牛顿N；c-风力系数；p-计算风压，单位为牛每平方米N/m ；A-起重机构件垂直于风向的实体迎风面积，单位为平方米 m 。按171中表 16查取的风力系数，如表 2所示。

表 2门式起重机各构件的风力系数Tab.2 Wind Coeficients of Gantry Crane Components借助于大型有限元分析软件ANSYS对其进行分析计算。该门式起重机为箱梁结构，故采用 Shel63单元对其进行建模。因主梁与刚性支腿通过焊接方式连接，故在模型中将主梁与刚性支腿- 体化建模。其柔性支腿是通过球铰形式与主梁进行连接，故通过耦合 UX、UY、UZ三个位移自由度将主梁与柔性支腿连接。为避免在耦合点附近区域出现应力集中现象，故在耦合点区域附近建立刚性区域。由于柔性支腿与主梁通过球铰连接，门机垂直于大车轨道方向的水平力不足以克服大车车轮与钢轨之间的摩擦力，因此门机按-次超静定进行约束日。即对 1号刚性支腿约束UX、UY、UZ三个位移自由度，2号支腿约束 UX、UY两个位移自由度 ，3号支腿约束 UX、UY、UZ三个位移 自由度，4号支腿约束UX、UY两个位移 自由度。其有限元模型，如图 1所示。指在研究风载荷对门机的影响，故对门架结构只施加风载荷 ，风载荷以面载荷直接施加于门机各迎风面上。其计算结果，如表 3所示。

图 1施加约束后的有限元模型Fig.1 Con
.
straints mposed FE Model表3静载荷作用下最大应力、变形计算结果Tab.3 Maximum Deformation and Stressin the Condition of Static Loads删 方向变形 f，l，方向变形 z方向变形 复合应力 简1 mm 1 mm 1o mm SEQVMPa最大值 节点号 最大值 节点号 最大值 节点号 最大值节点号0.2582 28004 0.3572 62008 3.7022 20567 1 1.544 271 1 1- 士 2.1076 4946 0.2721 10252 0.0721 34546 3.2505 33550No.9Sept.201 3 机 械 设 计 与 制造 654时程分析4.1谐波叠加法模拟风载荷在Davenport脉动风速功率谱中，K为地面粗糙系数，根据191场地划分标准，该门机的工作场地类型为中硬地，属于类场地，根据lol的相关研究；取K0.00215。 10为此地点 10m高度处的平均风速 ，根据171的附录 E中的表 E.1可知，3s时距平均瞬时风速20m/s对应的平均风速为13.3m/s。该门机的 Davenport功率谱曲线，如图 2所示。由图 2可知，随着频率的不断增大而迅速减小，当f0.0535Hz时达到最大值，其最大值为 56.8102mZ/s，。脉动风载荷的能量主要集中在低频部分，因此在模拟脉动风载荷时可对占能量比重很小的高频部分，即频率大于0.5Hz以后的频谱密度忽略不计图2工作场地的Davenport功率谱曲线Fig.2 Davenport Power Spectrum Curve in the Workplace脉动风速是-个各态历经平稳的高斯过程，根据 Shinozuka理论，随机过程 t的样本可以由下式来模拟 ：N∑ cos 8尸 J式中： 足够大的整数；△n广 随机过程 功率谱密度函数；为频率增量； -均匀分布在区间 0，21r内的随机相位。

根据中心极值定理，当Ⅳ足够大时模拟的随机过程趋近于高斯随机过程。同时采样时间间隔 - ，以免失真。这里取 N1024，时间间隔取 O.2s，采用时间为 100s。按照式8利用式2和式6提供的功率谱函数，利用Matlab软件模拟的风速时程曲线和风压时程曲线，如图3、图4所示。

4.2时程分析利用模拟的风速、风压时程曲线 ，利用 ANSYS软件对门机结构进行动力学分析，得到门机结构的时程响应曲线。门机结构的基本运动学方程为： ， t 9式中： -质量矩阵；c-阻尼矩阵； -刚度矩阵； 、 、 -节点的加速度向量、节点的速度向量、节点的位移向量；F-脉动风载荷向量。

图3模拟总风速时程曲线Fig.3 Simulated Speed--Time Curve of Winds图4模拟总风压时程曲线Fig.4 Simulated Pressure-Time Curve of Wind对风载荷垂直于门架平面和风载荷垂直于刚性支腿平面两个方向进行了动力学分析。读绕算结果文件，提取每-载荷步的最大变形与最大应力，部分计算结果，如图5、图6所示。静载荷法与时程分析法的计算结果对比，如表 4所示。

a垂直于门架平面方向的最大变形Sb最大复合应力图5风载荷垂直于门架平面的响应曲线Fig.5 Response Cues of Wind Load Perpendicular to Crane Planea垂直于刚性支腿平面的最大变形fsb最大复合应力图6风载荷垂直于刚性支腿平面的响应曲线Fig.6 Response Curves of Wind Load Perpendicularto the Plane of Rigid Legs机械 设 计 与 制造No.9Sept.2013表 4静载荷法与时程分析法计算结果对比表Tab.4 Results Comparison Between StaticLoad and Load-Time Analysis在《规范》 中，为计算风载荷对门机的影响是以最大风速、风压作为静载荷来进行考虑，不考虑风载荷的脉动特性。通过以上的计算可以看出，大型门式起重机考虑风载的脉动效应后的计算结果比不考虑其脉动效应的静载荷法计算结果偏大。最大应力超过静 载计算值的 95.34%，最 大变形超过静载计 算值的223.46%。故在风灾频发地区使用的大型门式起重机按《规范》 的计算结果较实际情况将偏小，计算结果偏于不安全。

5结论通过对门式起重机的风振特性的研究，可以得到以下几点结论：1大型门式起重机在考虑风载荷的脉动效应时，其应力、应变较静载作用有-定差异，其静载荷计算值偏于不安全。2考虑风载荷的脉动效应与剧载荷作用下的门机响应结果差异不是太大，故在普通门机设计计算时，将风作为静载荷考虑具有-定的可信性。3和 荷方法简便可行。利用统计意义上的随机风载荷功率谱密度函数模拟的时程曲线对起重机的分析设计更具有指导意义。4基于ANSYS软件的风载荷的时程分析方法简便可行，可为同类产品的设计提供借鉴和参考。