王 晟

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

基于Pro/E和CFD計(jì)算大型造船門式起重機(jī)風(fēng)載荷

王 晟

(中船第九設(shè)計(jì)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(jī)模型，網(wǎng)格化后導(dǎo)入流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件中計(jì)算造船門式起重機(jī)的風(fēng)載荷。與依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811—2008)計(jì)算的風(fēng)載荷值相比較，發(fā)現(xiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的數(shù)值偏于保守和系數(shù)取值過(guò)大，某些局部風(fēng)載荷增大情況不能準(zhǔn)確的反映。該計(jì)算方法為大型門式起重機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

流體動(dòng)力學(xué);大型門式起重機(jī);風(fēng)載荷

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

門機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括主梁、剛性腿和柔性腿。雙箱梁結(jié)構(gòu)是門機(jī)主梁的一種典型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用非常廣泛。目前，最大門機(jī)的高度達(dá)100多米，主梁的梁高接近15 m，重量超過(guò)5 000 t，如此的龐然大物對(duì)風(fēng)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(jī)為例，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)計(jì)算其風(fēng)載荷，并與《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811—2008)(以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》)相比較，分析產(chǎn)生差異的原因，為以后的相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算風(fēng)工程簡(jiǎn)介

計(jì)算風(fēng)工程是一種近二十年才發(fā)展起來(lái)的數(shù)值計(jì)算方法。它基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)，用數(shù)模方法計(jì)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(xué)科研究方法。相對(duì)于試驗(yàn)研究方法，計(jì)算風(fēng)工程具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):(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(jié)構(gòu)尺度和構(gòu)造的影響，可以構(gòu)建原型尺寸的計(jì)算模型，避免了風(fēng)洞試驗(yàn)中只能進(jìn)行縮尺試驗(yàn)的不足，克服試驗(yàn)中難以滿足雷諾數(shù)相似的困難;(4)數(shù)值模擬的結(jié)果可以利用流場(chǎng)和壓力場(chǎng)等可視工具，提供了風(fēng)洞試驗(yàn)無(wú)法提供的繞流和遮擋效應(yīng)的信息。本文中采用成熟的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件——ANSYS CFX(以下簡(jiǎn)稱CFX)計(jì)算門機(jī)的風(fēng)載荷。

2 門機(jī)風(fēng)載荷計(jì)算

門機(jī)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(yùn)行機(jī)構(gòu)組成。由于計(jì)算機(jī)配置的原因，本文中門機(jī)主要取主梁、剛性腿和柔性腿作為計(jì)算的對(duì)象。參照該門機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，利用Pro/E建立該門機(jī)的模型，如圖1所示。

2.1 模型的建立和網(wǎng)格化

應(yīng)用ANSYSWorkbench進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算，建模過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)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(duì)簡(jiǎn)單的模型，而處理復(fù)雜的模型就顯得功能不夠。Pro/E三維造型軟件擁有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)體造型。CFX的長(zhǎng)處在于進(jìn)行風(fēng)載荷的計(jì)算和風(fēng)振的分析;而Pro/E的優(yōu)勢(shì)在于三維設(shè)計(jì)造型。因此，將Pro/E與CFX結(jié)合起來(lái)使用，可以很好的解決CFX建模功能不足，提高建模的準(zhǔn)確性、快捷性和方便性。

本文考慮計(jì)算機(jī)的實(shí)際情況，按照施工的設(shè)計(jì)圖紙建立門機(jī)的實(shí)際尺寸模型。由于構(gòu)件的迎風(fēng)面是對(duì)風(fēng)載荷影響的主要因數(shù)，因此提出該模型的面導(dǎo)入網(wǎng)格生成工具ANSYS ICEM CFD 5進(jìn)行網(wǎng)格化?？紤]門機(jī)結(jié)構(gòu)截面形式不一樣，將不同的部件分成不同的族進(jìn)行網(wǎng)格化，并根據(jù)構(gòu)件幾何特征設(shè)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(shè)置

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

圖2 門機(jī)數(shù)字風(fēng)洞網(wǎng)格模型Figure 2 Numericalwind tunnel griddingmodel of gantry crane

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

計(jì)算介質(zhì)為25℃的空氣，進(jìn)口速度的設(shè)置參照《規(guī)范》風(fēng)的指數(shù)分布曲線。由于門機(jī)主要是處于陸地上，因此以10 m高度處的垂直平均風(fēng)速作為基準(zhǔn)，得到進(jìn)口風(fēng)速函數(shù)表達(dá)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(fēng)速(m/s);V10是10 m高度的平均風(fēng)速(m/s);H是離地的高度(m)。

出口根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置為環(huán)境壓力邊界條件，平均靜壓為零，參考?jí)毫?個(gè)大氣壓，湍流強(qiáng)度設(shè)置為中等0.05?？紤]四周壁面粘性對(duì)空氣流動(dòng)的影響，對(duì)數(shù)字風(fēng)洞的四周壁面和門機(jī)表面都設(shè)置為無(wú)滑移墻。

2.3 工況

根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)載荷的實(shí)際情況，分別計(jì)算風(fēng)沿大車運(yùn)行方向(+Z向)，風(fēng)垂直于大車運(yùn)行方向(+X向)。分別計(jì)算門機(jī)的主梁、剛性腿和柔性腿的風(fēng)載荷。

對(duì)應(yīng)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(fēng)工況)的風(fēng)速。設(shè)定CFX收斂殘差為10－4，整個(gè)迭代步數(shù)為100步。

2.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 壓力場(chǎng)和流場(chǎng)分布

風(fēng)速為20 m/s，風(fēng)向+Z向，作用在門機(jī)上的壓力場(chǎng)和流場(chǎng)見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 門機(jī)表面壓力分布(相對(duì)參考?jí)毫?atm)Figure 5 Surface pressure distribution of gantry crane

圖6 門機(jī)中截面流場(chǎng)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(jī)的迎風(fēng)面產(chǎn)生的風(fēng)壓和風(fēng)載荷最大，門機(jī)的背風(fēng)面產(chǎn)生的風(fēng)壓相對(duì)較小，有些區(qū)域還形成負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生反作用力。對(duì)應(yīng)的主梁結(jié)構(gòu)中，前梁受到很大的風(fēng)載荷，此時(shí)的動(dòng)量(速度和質(zhì)量的乘積)占據(jù)前梁風(fēng)載荷的絕對(duì)位置;后梁動(dòng)量相對(duì)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(fù)壓區(qū)，風(fēng)轉(zhuǎn)向回流，局部風(fēng)速出現(xiàn)增大的情況，這些情況與實(shí)際情況相吻合。然而《規(guī)范》中對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法沒(méi)有體現(xiàn)流體的此種現(xiàn)象，與實(shí)際的情況不符。

2.4.2 門機(jī)的風(fēng)載荷計(jì)算

《規(guī)范》中計(jì)算工作狀態(tài)的風(fēng)載荷:

PwⅡ=CpA=0.625CV2A (2)非工作狀態(tài)的風(fēng)載荷:

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

《規(guī)范》計(jì)算時(shí)考慮了門機(jī)雙主梁之間的擋風(fēng)折減系數(shù)，風(fēng)速和CFX入口的風(fēng)速設(shè)置相同。

CFX計(jì)算后處理中，通過(guò)對(duì)門機(jī)的表面數(shù)值積分，得到作用在門機(jī)主梁、剛性腿和柔性腿的風(fēng)載荷。與《規(guī)范》計(jì)算門機(jī)的主梁、剛性腿和柔性腿的風(fēng)載荷相比，計(jì)算誤差如表1～表3所示。

表1 CFX計(jì)算的門機(jī)主梁風(fēng)載荷與規(guī)范計(jì)算的主梁風(fēng)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(jì)算的門機(jī)剛性腿風(fēng)載荷與規(guī)范計(jì)算的剛性腿風(fēng)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(jì)算的門機(jī)柔性腿風(fēng)載荷與規(guī)范計(jì)算的柔性腿風(fēng)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(jì)算中可以得出，CFX計(jì)算門機(jī)部件的風(fēng)載荷比《規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)載荷小20%～40%;主梁和柔性腿在風(fēng)沿著大車軌道方向，兩者的誤差相對(duì)較大;剛性腿計(jì)算的風(fēng)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(fēng)速矢量為例，當(dāng)風(fēng)作用前梁表面時(shí)，前梁受到較大的風(fēng)壓和風(fēng)載荷，此時(shí)動(dòng)量(質(zhì)量和速度的乘積)作用占據(jù)前梁風(fēng)載的大部分比例。風(fēng)的速度矢量以較大的繞角繞過(guò)前大梁的上、下表面，造成了前梁上、下表面局部風(fēng)速增大(見(jiàn)圖7)，而前、后大梁之間的間隔區(qū)域的風(fēng)壓形成負(fù)壓(見(jiàn)圖8)。前后大梁之間的壓強(qiáng)梯度使后梁局部的流體回流至中間區(qū)域，但是此時(shí)回流的速度矢量與前梁的速度矢量小很多。后梁的壓強(qiáng)差所導(dǎo)致的前后大梁之間間隔區(qū)形成負(fù)壓，使得后梁產(chǎn)生反力(見(jiàn)圖8)。

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

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

圖7中的主梁中截面風(fēng)速矢量圖，比較實(shí)際的反映了主梁在風(fēng)場(chǎng)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(fēng)面形成漩渦，湍流，使風(fēng)載荷的局部損失增大，局部的風(fēng)壓相對(duì)較大，風(fēng)速相對(duì)減小，使得計(jì)算的風(fēng)載荷比《規(guī)范》計(jì)算較小。

由圖8可得，在主梁的迎風(fēng)面，產(chǎn)生的壓力較大，而在其背風(fēng)區(qū)風(fēng)壓較小，反映了主梁的前梁對(duì)后梁的“遮擋效應(yīng)”。后梁表面和間隔區(qū)的負(fù)壓主要是由于流體流動(dòng)分離造成的。“遮擋效應(yīng)”使風(fēng)載荷的沿程損失增加，形成負(fù)壓，作用在背風(fēng)區(qū)的風(fēng)速減小，其風(fēng)載荷相對(duì)《規(guī)范》計(jì)算較小。

由于主梁和柔性腿在風(fēng)沿著大車軌道方向上，存在的“鈍體繞流”和“遮擋效應(yīng)”相對(duì)影響較大，剛性腿方向的影響相對(duì)較小。因此，主梁和柔性腿在風(fēng)沿著大車軌道方向上，計(jì)算的風(fēng)載荷的數(shù)值與《規(guī)范》計(jì)算數(shù)值誤差相對(duì)較大，剛性腿的計(jì)算誤差相對(duì)較小。這與前面表格中計(jì)算結(jié)果相符，也從側(cè)面驗(yàn)證了CFD計(jì)算的風(fēng)載荷比《規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)載荷更符合實(shí)際情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文基于Pro/E建立門機(jī)的CAD模型，網(wǎng)格化后導(dǎo)入CFX中，設(shè)置邊界條件，按照《規(guī)范》設(shè)置同等條件的風(fēng)速，最后通過(guò)對(duì)該門機(jī)的表面數(shù)值積分，得到作用在其表面的風(fēng)載荷。與依據(jù)《規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)載荷數(shù)值相比較，并找出產(chǎn)生差異的原因，為設(shè)計(jì)作參考。

(1)對(duì)應(yīng)單根大型門式起重機(jī)的部件，利用CFX和《規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)載荷數(shù)值相差不大，但是對(duì)應(yīng)的大型門式起重機(jī)整體計(jì)算的風(fēng)壓和風(fēng)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(gòu)件的局部風(fēng)壓增大;存在“遮擋效應(yīng)”，使得后方構(gòu)件的風(fēng)壓遠(yuǎn)小于前方構(gòu)件?！扳g體繞流”和“遮擋效應(yīng)”都產(chǎn)生能量的損失，使得計(jì)算的風(fēng)載荷數(shù)值相對(duì)于《規(guī)范》較小。

(2)通過(guò)CFX計(jì)算的風(fēng)載荷的分析可得，由于大型造船門式起重機(jī)的構(gòu)件之間的相互干擾現(xiàn)象，使得局部的風(fēng)速和風(fēng)壓存在增大的情況。因此，對(duì)于大型造船門式起重機(jī)的非工作工況和暴風(fēng)工況要對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估、預(yù)測(cè)，避免風(fēng)載荷對(duì)該類型的起重機(jī)的局部的破壞。

(3)CFX計(jì)算門機(jī)部件風(fēng)載荷的數(shù)值比《規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)載荷數(shù)值小20% ～40%，發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》風(fēng)載荷計(jì)算方法保守和取值系數(shù)過(guò)大。對(duì)于《規(guī)范》中的風(fēng)力系數(shù)和擋風(fēng)折減系數(shù)可以做更進(jìn)一步的分析和優(yōu)化，可以得到更優(yōu)的結(jié)果，對(duì)于以后的設(shè)計(jì)可以節(jié)省相應(yīng)的材料和人工。

(4)CFX計(jì)算中得到的大型造船門式起重機(jī)的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，使設(shè)計(jì)人員可以得到流體流向和壓力場(chǎng)梯度，對(duì)于該類型的起重機(jī)的風(fēng)載荷分析有一個(gè)比較深刻的分析。這是CFX相對(duì)于《規(guī)范》計(jì)算一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。

(5)采用Pro/E和CFD計(jì)算大型造船門式起重機(jī)的風(fēng)載荷具有通用性，對(duì)應(yīng)于其他類型的起重機(jī)同理可以采用此方法，能夠得到一個(gè)較優(yōu)的結(jié)果。

［1］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析.CFD軟件原理與應(yīng)用.2004.

［2］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB/T3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

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［7］時(shí)公賀，梁崗.基于Solid works和ANSYS的大型全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析.計(jì)算機(jī)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