大型起重机仿生结构风致效应特性及抗风减载机理研究

Wind-load is the main load during crane operation process. The wind-load accounts for about 40%～60% of operating mechanism load and takes about 10%～20% of structural load. With the development of large scale and flexible crane, the efficiency of wind loading on crane has been becoming increasingly prominent. However, the existing research aimed for wind-induced response of crane is very few. This project considers wind-induced response of crane structure. Based on the similarity principle of bionics, the construction properties of the internal rectangular bones and the outer streamlined surface of the trunkfish are analyzed. The bionic streamlined structure style of crane bionics streamlined tuyere box girder is proposed. The wind-tunnel test, the theory of bluff body aerodynamics and computational fluid dynamics are adopted to explore Fluid-Solid coupling mechanism of wind-crane. The shape coefficient of box girder structure and the windshield reduction factor are presented for analyzing their varying patterns. The vibration modes, displacements and responses under various models are studied for the bionic structure. The structural style of crane box girder is optimized. The results of the project can guide the wind-resistant and load shedding design of box girder structure for large-scale cranes. This research not only carries out the wind-resistant and load shedding design of crane structure, performs the purpose of light-weighting design and decreases the energy-consumption of crane, but also has important significance in enriching and improving the theoretical system of wind-induced response in crane design specification.

风荷载是起重机工作时的主要荷载，在运行机构荷载中的占比为40%～60%，在结构荷载中的占比为10%～20%。随着起重机大型化、柔性化的发展，风荷载对起重机的损坏问题日益凸显，而目前针对起重机风致效应的研究非常薄弱。本项目针对大型门式起重机结构风致效应特性研究的科学问题，从仿生学相似性原理出发，通过研究箱鲀鱼的内部矩形骨骼与外部类流线型表面的构造方式，提出起重机仿生流线型风嘴箱梁结构形式，并借助风洞试验、钝体空气动力学和计算流体力学等手段，探索风—起重机的流固耦合机理，揭示箱梁结构体型系数、挡风折减系数等气动参数的变化规律，研究仿生结构各阶模态下的振动形态、位移及响应，优化起重机仿生箱梁最佳结构形式，指导起重机箱梁结构抗风减载设计。该研究不仅可以达到起重机结构抗风减载目的，实现起重机结构轻量化、降低运行能耗、确保设备安全，而且对补充和完善起重机设计规范中的结构风致效应理论体系具有重要意义。

大型门式起重机是一种高耸结构，其主梁高位横置且迎风面积大，因而对风荷载敏感。风荷载作为起重机的重要荷载，不仅是大车电机功率计算及整机稳定性校验的重要依据，也是影响起重机金属结构承载特性的重要因素。风荷载估值的科学性及准确性极大地影响起重机的安全性、经济性，因此针对起重机结构风致效应及抗风减载设计的研究具有较高的科学与工程意义。.项目组运用计算流体动力学模拟和风洞试验，主要研究了以下内容：提出了一种低流阻仿生箱梁的结构贴附型式，从结构设计、现场安装及改造升级三方面，系统地建立了起重机抗风减载设计方法。对起重机主要构件风荷载分布进行研究，总结了低风载结构的设计要素。以弹簧振子刚体模型研究了结构的风致振动，并在此基础上提出相应的结构抗风减振方案。.通过对起重机结构风效应、仿生抗风减载方法进行研究，获得了以下几项重要结果：将基于粒突箱鲀鱼嘴结构特征仿生的风嘴结构附于箱梁迎风面，仿生贴附方案有效地减小了箱梁风荷载及结构的气动脉动力值，仿生箱梁的减载比超过60%。起重机箱梁宽高比、间距比及翼缘板板缘宽度等参数与箱梁风阻系数关系密切，因此箱梁设计时，合理的结构参数选择可以有效地降低起重机结构风阻力。大型门式起重机在脉动风的作用下，其应力、应变较静载作用有一定差异，其静载荷计算值偏于不安全。不同结构均发生典型的涡激振动现象，但对应的结构振幅和锁定区间存在明显差异。圆柱形结构锁定区对应折减风速最小，方柱最大，圆柱的涡激振动临界风速最小。.本项目综合运用理论分析、计算流体力学仿真及风洞试验手段，对大型门式起重机的结构绕流特性、风致振动及抗风减载抑振进行了系统的研究。研究结果完善了起重机设计规范（GB/T 3811-2008）中风荷载的评估方法，形成了较完整的起重机抗风减载设计理论，拓展了结构仿生方法在起重机领域的应用，丰富了工程机械的抗风减载理论，对完善门式起重机抗风减载设计理论体系具有重要意义。