单梁龙门起重机流体-结构耦合作用风致响应分析

摘要

龙门起重机在大型设备的生产和装卸上都起到不可替代的作用。由于生产效率的提高和大型载物的出现,其设备的安装则需要大跨度龙门起重机的作业。随着起重机跨度和高度的增大,出于轨道轮压的限制和降低产品成本的需要,结构更趋轻柔,在沿海极值风荷载的作用下,龙门起重机易产生安全隐患。因此如传统加载形式,将风荷载作为静力荷载加至起重机上并不适用,还必须考虑风致振动的问题。由于,龙门起重机的工作环境多在多风灾的露天场所,风对起重机的作用便更显突出。
　　 首次使用ADINA软件对单梁龙门起重机进行流体-结构耦合作用(Fluid-StructuresInteraction,FSI)风致动力响应的分析。采用Lagrangian方法来描述结构动力学控制方程。假定流体为粘性不可压缩流体,采用ALE(ArbitraryLagrangian-Eulerian)方法来描述流体流动的动力学控制方程。同时采用基于流动条件插值(Flow-Condition-BasedInterpolation,简称FCBI)三维单元的稳定有限元求解技术,尽可能避免数值计算的不稳定性。
　　 本文首先将单梁龙门起重机主梁二维刚性截面放于五种湍流模型中进行数值模拟。从计算结果观察绕流特性、旋涡脱落情况,并通过理论公式推出主梁的风压分布系数。判断标准k-ε模型湍流模型更适合龙门起重机的数值模拟。使用标准k-ε模型对龙门起重机主梁做进一步分析。
　　 本文分别将龙门起重机三维模型放于工作状态风速、非工作状态风速、台风风速三种风速下进行风致振动响应分析。建立起重机的气弹性模型,得出三种风速下,主梁表面的风压系数分布,由计算位移的方差求出风振系数,得出单梁龙门起重机主梁的风振系数和体型系数,可作为设计人员及进一步研究的参考。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 风工程的研究领域

1.3 建筑结构风荷载的主要研究方法

1.3.1 现场实测

1.3.2 理论分析

1.3.3 风洞试验

1.3.4 数值模拟技术

1.4 课题研究的背景和意义

1.4.1 大型龙门起重机抗风研究的重要性

1.4.2 起重机抗风研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 风场特征与数值模拟

2.1 近地风的特性

2.1.1 平均风的描述

2.1.2 脉动风的描述

2.2 计算风工程的主要内容

2.3 湍流简述

2.3.1 湍流的特征

2.3.2 湍流的描述

2.4 湍流的数值模型

2.4.1 Reynolds平均法(RANS)

2.4.2 Spalart-Allmaras模型

2.4.3 大涡模拟

2.5 本章小结

第三章 单梁龙门起重机二维模型的数值模拟

3.1 引言

3.2 二维绕流数值模拟

3.2.1 参数定义

3.2.2 计算风速的选取

3.2.3 起重机单梁截面尺寸及截面分区示意

3.2.4 网格划分及有限元数值模拟

3.3 本章小结

第四章 单梁龙门起重机三维模型风致响应分析

4.1 引言

4.2 龙门起重机自振特性分析

4.2.1 计算模型

4.2.2 自振频率的计算

4.3 流体-结构耦合作用(FSI)数值模拟

4.3.1 流固耦合边界控制条件

4.3.2 FSI耦合系统的有限元方程

4.3.3 FSI双向耦合系统的求解算法

4.4 风振系数及弹性体风压力系数

4.4.1 风振系数

4.4.2 弹性体风压力系数

4.5 有限元弹性模型的数值模拟

4.5.1 网格划分及有限元数值模拟

4.5.2 数值模拟结果分析

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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