门式起重机主梁风荷载特性研究及抗风减载设计

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门式起重机是作为一种重要的物流搬运机械,广泛服务于国民经济的不同领域,在工业生产中占据着重要的地位。由于其结构外形具有跨度大、高度高的特点,对风荷载十分敏感,因此起重机的风致效应不容忽视。尤其我国东南沿海是台风多发地区,针对门式起重机风荷载的研究可以有效预防和降低事故的发生。本文围绕门式起重机抗风减载设计这一目标,综合运用CFD数值模拟和风洞试验两种方法,分析不同来流风向角下起重机的风致效应以及主梁特征参数(长细比、高宽比)对起重机风致效应的影响。将局部开洞该种气动外形优化措施引入到起重机结构设计领域,为起重机的抗风减载设计提供新思路。主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过CFD数值模拟和风洞试验的方法对大型门式起重机不同来流风向角的绕流特性进行研究和探讨,分析流场的绕流特性,得到了起重机整机及其各部件的表面压力系数分布和各种气动力参数,完善和丰富了《起重机设计规范》的相关内容。通过与风洞试验结果的对比,验证了Realizable k-ε模型作用于门式起重机结构风工程问题的可靠性和准确性。(2)主梁作为门式起重机的主要挡风构件,对其不同特征参数(长细比、高宽比)的结构进行CFD数值模拟。得到了不同工况下结构表面压力分布和阻力系数,完善了《起重机设计规范》中构件风力系数谱,并通过对比发现,规范取值相对保守,不利于主梁结构的优化设计。总结了主梁阻力系数随特征参数变化的规律,从抗风设计的角度为主梁特征参数的取值提供了建议。(3)局部开洞处理是大型结构中一种常见的抗风措施,常用于高层建筑和桥梁等,但目前还鲜有关于起重机局部开洞相关的研究。基于此本文将局部开洞该种气动外形优化措施引入到起重机抗风设计领域,为起重机抗风减载设计提供了思路。评测了不同开洞方式对主梁风致效应的影响,结合其压力分布、平均流线图、平均涡量图分析其减载机理。结果表明,局部开洞措施可以大幅减小来流对起重机的冲击和振动,提高结构在风场中的稳定性,是一种有效的抗风设计方法。
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