奚傳峰 高順德 徐金帥 孫豐科 郭二棒

1大連理工大學機械工程學院 大連 116025 2大連理工大學工程力學系 大連 116025

0 引言

隨著基礎工程建設的不斷發(fā)展，大噸位履帶起重機不斷出現(xiàn)，其臂架組合總高度達到200 m以上，作為重要連接部件的拉管結構也隨之變得細長、輕柔。拉管結構的自振頻率低，屬于風載荷敏感性較強的大跨度柔性結構，在風載荷作用下易產生較大振動和變形，且強烈的振動會導致拉管結構的固結處發(fā)生疲勞破壞[1]。

對于工程中的拉管以及與拉管類似的拉索系統(tǒng)，國內外學者均有研究，王春江等[2]研究了長單索結構的風載荷響應現(xiàn)象，對比采用傳統(tǒng)單索動力學計算方法和采用流固耦合方法的計算結果，發(fā)現(xiàn)考慮流固耦合效應得到的風壓峰值比傳統(tǒng)計算方法得到的值大15%～20%；Liu M M等[3]利用數(shù)值計算的方法對間距不同的并列拉索進行研究，得出風載荷對不同間距拉索結構的動力系數(shù)和靜力系數(shù)的影響；劉慶寬等[4]采用風洞實驗的方法針對并列拉索出現(xiàn)的尾流渦激振動現(xiàn)象進行研究，得到尾流渦激振動現(xiàn)象產生時的升力和阻力系數(shù)；杜曉慶等[5]研究了不同風攻角對串聯(lián)和錯列拉索的影響，提出了增加阻尼比來解決下游拉索出現(xiàn)的渦激共振問題；孫亭亭等[6]對脈動風條件下近距離并列拉索進行數(shù)值分析，分析上游拉索對下游拉索周圍流場的影響，得出上游拉索出現(xiàn)的圓柱繞流現(xiàn)象使下游拉索的流場變得更加復雜。通過理論分析、風洞試驗、數(shù)值分析等方法對拉索等大跨度柔性結構風載荷響應的作用機理、發(fā)生條件及影響因素等做了大量研究。從研究結果看，學者們對履帶起重機中的拉管結構的研究較少。鑒于此，本文采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法，應用Ansys Workbench軟件對拉管結構和流場進行雙向流固耦合數(shù)值計算，分析拉管結構周邊流場的壓力分布以及結構的風載荷響應，并與GB/T 3811－2008《起重機設計規(guī)范》[7]中的計算結果進行對比，為履帶起重機拉管結構的工程設計與計算提供參考。

1 數(shù)值分析模型

1.1 模型建立

如圖1所示，以660 t履帶起重機塔臂后拉管結構作為研究對象，拉管結構由不同規(guī)格尺寸的拉管通過銷軸連接而成。為了避免在數(shù)值分析過程中出現(xiàn)網格數(shù)量多、網格形狀畸形、計算數(shù)據(jù)過大而導致計算過程中出現(xiàn)錯誤，在保留拉管結構主體特征的基礎上，忽略拉管連接處的復雜曲面，對模型進行簡化。利用SolidWorks按1:1參數(shù)比例建立拉管三維實體模型，拉管結構模型高為36 m，外徑D為0.14 m，內徑d為0.11 m，2個拉管中心距L為2.8 m。

圖1 660 t履帶起重機塔臂后拉管結構示意圖

1.2 計算域與網格模型

在ICEM CFD中建立拉管結構的流場計算域，并采用結構化網格劃分。計算域采用長方體，上游來流為40D，下游為50D，寬為40D，中心距L為20D，計算域二維示意圖如圖2所示。

圖2 計算域二維示意圖

為了能夠簡易、高效、精確模擬出拉管在實際工程環(huán)境下的風載荷，利用O-Block方法進行結構化網格劃分，并在流固場接觸面進行加密處理，如圖3所示。為盡可能模擬拉管外部無限大的流場環(huán)境，降低流場邊界對分析結果的影響，計算域的阻塞率為2.5%，滿足阻塞比小于3%的要求。計算域網格劃分完成后，節(jié)點數(shù)為7 160 362，網格數(shù)量為7 399 512。

圖3 網格模型劃分示意圖

1.3 湍流模型

拉管結構主體特征為圓管，在風流經拉管表面時會產生鈍體繞流效應，進而出現(xiàn)旋轉和分離流動現(xiàn)象。計算域流場為完全發(fā)展的湍流流場，所以選用適用于湍流發(fā)展非常充分并具有穩(wěn)定性好、計算精度較高等優(yōu)點的Standardκ-ε模型。

1.4 邊界條件設置

1）入口為速度進口邊界條件，由于邊界條件較復雜，無法通過Fluent標準界面直接完成，故用戶可采用自定義函數(shù)（User Defined Functions，UDF）實現(xiàn)。

2）為了能夠實現(xiàn)更好的收斂，出口為壓力出口邊界條件。

3）除拉管模型表面和地面采用無滑移壁面條件，其他面均為對稱面條件，用來模擬無限大空間流場。

4）采用Simplce算法對速度-壓力耦合方程進行求解，離散格式采用二階迎風格式，收斂殘差均采用默認值為10-3，并監(jiān)測進出口質量流量，不平衡誤差為0.000 3%，滿足小于0.1%的收斂要求。

2 計算結果分析

數(shù)值模擬在Ansys Workbench平臺上進行，模擬20 s拉管結構與流場雙向耦合過程，利用Fluent模塊進行流場計算，得到流場的壓力分布情況，分析拉管結構附近的流場在不同高度處的壓力變化情況；利用Transient Structural模塊進行結構分析，得到拉管結構的風載荷響應曲線，分析拉管結構在風場中的風載荷響應。

2.1 流場分析

為了描述不同高度時拉管結構周圍流場壓力場和壓力分布情況，將其分成4段研究，高度分別為9 m、18 m、27 m和36 m，并分析壓力變化明顯的局部流場區(qū)域，繪制出圖4～圖11所示不同高度的壓力分布云圖和流固交界面上的周向壓力，圖中白色區(qū)域為拉管結構，來流風從左側流入右側流出，按照風先后流經的順序，左側為前拉管，右側為后拉管。

圖4 9 m高度前后拉管的壓力云圖

圖5 9 m高度前后拉管的周向壓力

圖6 18 m高度前后拉管的壓力云圖

圖7 18 m高度前后拉管的周向壓力

圖8 27 m高度前后拉管的壓力云圖

圖9 27 m高度處前后拉管周向壓力

圖10 36 m高度前后拉管的壓力云圖

圖11 36 m高度前后拉管的周向壓力

由圖4～圖11可知，前后拉管的最大正壓力值出現(xiàn)在結構迎風面的最前端，最大負壓力值出現(xiàn)在結構兩側的位置；對比前后拉管在同一高度時的周向壓力，可以看出前后拉管的周向壓力變化趨勢相同且對稱分布；在同一高度時，前拉管的最大正壓力和最大負壓力的絕對值都大于后拉管的最大正壓力和最大負壓力的絕對值。

對同一拉管在不同高度時拉管結構表面的周向壓力進行比較，如圖12所示。從圖中可以看出，前后拉管的最大壓力值隨拉管高度的增加而增大，前后拉管的最大負壓力值隨拉管高度的增加而減小；拉管后面形成的負壓區(qū)壓力均值也隨高度的增加而減少，其變化值小于最大負壓力的變化值。

圖12 前后拉管不同高度時的周向壓力

根據(jù)GB/T 3811－2008《起重機設計規(guī)范》，通過在風壓計算公式中引入風壓高度變化系數(shù)來處理風載荷高度變化引起的影響，將規(guī)范與數(shù)值計算得到的最大正壓力結果做對比，得到表1、圖13所示結果。

表1 最大正壓力數(shù)值計算結果與規(guī)范比較

圖13 不同高度最大正壓力值比較

由圖13可知，最大正風壓力數(shù)值隨高度的增加而不斷增大，數(shù)值計算結果和規(guī)范結果比較接近，但規(guī)范值比數(shù)值計算結果略大，這是因為規(guī)范中將風載荷當作靜載荷處理，為了使公式結果達到真實風載荷大小，對各參數(shù)的取值偏大相對保守。在實際工程中，由于存在鈍體繞流、拉管結構背風面有旋渦產生、出現(xiàn)局部回流、風速減小等情況，使得風載荷局部損失增大，同時也是造成同一高度時前拉管最大正壓力大于后拉管最大正壓力的主要原因。

2.2 拉管結構分析

大氣邊界層中的自然風由平均風和脈動風組成，在GB/T 3811－2008《起重機設計規(guī)范》中將結構風載荷按照平均風載荷處理，未考慮到自然風中脈動風對結構的動力作用。通過雙向流固耦合數(shù)值分析，可得到拉管結構在流場中的風載荷響應現(xiàn)象，如圖14所示。

圖14 前后拉管順風向位移

由圖14可知，前后拉管在風載荷作用下均出現(xiàn)了風致振動現(xiàn)象，并在結構阻尼作用下先后變成周期性振動。對比前后拉管順風向位移曲線，可知前拉管平均位移略小于后拉管的平均位移，前拉管振動頻率比后拉管振動頻率大，前拉管振幅比后拉管的振幅大，后拉管比前拉管更快進入穩(wěn)定振動周期。

對前后拉管順風向振動進行頻譜分析，由圖15可以看出引起振動的頻率成分有很多，其中頻率較低的部分是結構所受阻力的頻率，另一個為0.65 Hz的卓越頻率接近前后拉管的自振頻率（0.62 Hz），同時也是引起前后拉管強迫振動的主要原因。對比前后拉管的頻譜可知，頻率為0.60～0.80 Hz區(qū)間時前后拉管在相同頻率上出現(xiàn)幅值差異，主要原因是風流經前拉管時出現(xiàn)圓柱繞流現(xiàn)象，使得后拉管的上游風場出現(xiàn)擾動，進而使該范圍內的周期成分得到削弱或增強。因此，可以通過在拉管上分段布置小的連接結構改變拉管結構的固有頻率，減少風對拉管結構的影響。

圖15 前后拉管順風向位移頻譜

3 結論

本文以實際工程背景為依托，基于計算流體力學對拉管結構進行雙向流固耦合數(shù)值分析，并采用計算精度較高，穩(wěn)定性較好、經濟性較高的Standard 湍流模型，研究拉管結構在風載荷作用下的風載荷響應特性以及不同高度處流場分布，基于數(shù)值計算結果得出以下結論：

1）將拉管結構附近的流場分成4段進行研究分析發(fā)現(xiàn)，前后拉管的最大壓力值隨拉管度的增加而增大，前后拉管的最大負壓力值隨拉管高度的增加而減??；

2）前后拉管的周向壓力變化趨勢相同，最大壓力均出現(xiàn)在拉管迎風的最前段，最大負壓出現(xiàn)在拉管結構的兩側；

3）將規(guī)范計算的結果與數(shù)值計算得到結果做對比發(fā)現(xiàn)，兩者比較接近，但由于GB/T 3811－2008《起重機設計規(guī)范》中將風載荷當作靜載荷處理，為了使公式結果達到真實風載荷大小，對各參數(shù)的取值偏大，使得規(guī)范值比數(shù)值計算結果略大。

4）將前后拉管順風向位移進行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，來流風中的頻率成分主要集中分布在0.60～0.80 Hz，而前后拉管的固有頻率也在此范圍內，這是引起前后拉管強迫振動的主要原因。所以，在履帶起重機拉管結構設計中，應考慮在拉管上分段布置小的連接結構來改變拉管結構的固有頻率，減少風載荷響應引起的振動。