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船厂高框架结构的冲击风压瞬态模拟

Goran Radoičić*

Public Utility Company Mediana, Niscaron;, Serbia Miomir Jovanović

University of Niscaron;, Faculty of Mechanical Engineering, Niscaron;, Serbia

本文介绍了造船厂门座起重机几何形状的动态检查设计对风荷载的重要性。风荷载的动态特性在数学上由激励和对数风速剖面的谐波函数引入。采用有限元法对起重机非线性模型进行了结构分析。通过使用适当的结构阻尼模型来描述能量损耗。结合跟踪和变换的方法，提取出被测结构的有限元模型的特征值。该研究为起重机提供了可靠的机械模型，用于瞬态分析，其中结构的弹性在实际结构上得到验证。通过几个案例研究，本文表明，在极速记录的速度下，相对于单波阵风，统计记录的风速稳定状态下多波阵风的危险性更大。基于风作用的传递动态模拟，提出了一种新的设计标准 - 几何结构的的条件商。

关键词：动态响应，工程设计，建模，仿真，风荷载

关于风的简要介绍

飓风对高层建筑物或在闲置状态下没有安全模式的起重机的影响可直接危及其完整性和稳定性。这种高大的船厂门座起重机的这种特征结构（SC），其臂架前端经常面临复杂的载荷条件。这种起重机具有明显的倒塌风险，因为其宽阔的垂直平坦区域暴露在可变风的载荷中，并且其垂直结构的高度H小于门户基础btimes;d的10倍。

强风的阵风经常导致剧烈的振荡，共振和结构坍塌。除起重机高度外，地形因素对结构的影响也很大，这种结构会加剧风的影响。 在研究[01]的基础上，可以参考世界上最近的起重机和其他大型建筑设施的一些故障事件。极端强风是罕见的，但在鹤式起重机和其他船厂起重机和海洋结构的设计中仍应考虑到这一点。人们应该在升降式起重机的设计中努力寻求更好的几何标准，这会让支撑结构对已知极端环境负载有更有效的响应，特别是对于可能发生的会导致崩塌的最不利载荷组合[02]，[03]。

风被视为具有固定效应，因为它具有较大的振荡周期，即频率很小，因此在土木工程计算中将其建模为恒定载荷。 然而这种对结构的恒定风效应可能并且通常会导致共振，这是结构与风流之间相互作用的结果。 有两个关键原因：由于施工周围某些区域的气流紊流导致的负压，以及取决于结构变形的非线性负荷的“颤振”或“随动力”（例如：飞机机翼）。 因此，可以得出结论，风荷载是可变的，具有导致共振的结构的相同本征频率（例如： Tacoma Nar- row Bridge, [01]）。

风力被分解为两个组成部分 - 水平力和垂直力。力的水平分量是通过车身或起重机支撑结构附近的空气涡流引起的。该力分量特别适用于没有空气动力学轮廓的物体。与此相反，风荷载的垂直分量由于具有相对速度v_r的气流而发生。该力分量以（90-a）^o的角度作用在起重机的垂直表面上。垂直力分量会导致被观察及其上的振动效应。该空气动力学垂直力分量可以标记为F_av。它还有两个组成部分，它们是：F_d - 速度方向上的分量v_r，命名为阻力，而F₁--垂直于v_r方向的分量，称为升力，[ 03]。在这项研究中，采用了两个重要的假设：垂直力F_av具有谐波性质，入射角为a =0⁰。

风荷载模型需要模拟气流与结构之间的交互作用，以及时间步长非常小的非线性公式（“跟随力”不是保守力）。 全面（更好）的建模方法应协调由欧拉公式和拉格朗日公式描述的支撑结构模型定义的风流模型。 因此，本研究中的风的振荡周期假定为在参考速度下可持续风流的大约三分钟的持续时间，它也表示结构的振荡周期（共振效应）。

相关的气象参考

风能持续性的观察因热带气旋区域而异，因此一分钟制度是北大西洋和东太平洋的特征，西南印度洋和澳大利亚地区的十分钟制度[04] - 表1。

表1：过去几年中一些最强烈的旋风[04]

在克罗地亚测量的最大风速[05]证实了一个已知的事实，即我们可以清楚地区分大陆地区与沿海地区和岛屿相关的气候风。 然而，桥梁的具体位置：Pag，Krk和Maslenica与周围的orph raphy相比，导致更高的十分钟风速甚至超过40 m / s，最大阵风超过60 m / s。 在计算风对所选起重机的冲击影响时，参考风速的两个量值关系如下考虑：35 m / s和45 m / s，因为这样甚至更高的冲击速度在巴尔干半岛被记录过。

理论框架

对离散有限元系统的瞬态响应的探索，例如船厂水平门座起重机的FE模型，是基于公式1中的公式。（1）

其中：[M]是惯性矩阵，[C]是阻尼矩阵，{fext}是外力矢量，{fint}是内力矢量，是广义速度矢量，是广义加速度 矢量，t是观察其中一个尺寸的时刻。几何非线性结构分析需要计算当前结构配置中的应力，以及这些应力在当前结构连续体tV中的积分，目的是获得其内部结构。 因此它可以写成：

其中[B]是有限元模型的变形 - 位移矩阵（定义变形场的线性成员）。 选择时间积分方法的原因如下。 在研究中，Newmark时间积分被用作隐式积分方法，其中a是时间步长为0.001秒。Goran Radoii - 根据所考虑结构（钢）的材料，对高大造船厂框架结构的冲击风效应的瞬态模拟，429J应用工程科学15（2017）[2]， 激振力和范围振荡 方程非线性系统的动态平衡。 （1）仍然可以开发时间t Delta;t为：

其中：[KT]是切向刚度矩阵，螖是大小的增量，k是迭代。 ma trix [KT]允许评估弹性力以及在时间t Delta;t时位移的增加。 矩阵[KT]根据以下公式计算：

其中当前结构的所有数量在时间t给出，如下：t [KL]是线性刚度矩阵，t [Ksigma;是几何刚度矩阵，[H]是胡克矩阵，[ BNL]是产生应变的非线性部分的矩阵，[sigma;]是以矩阵形式给出的应力状态。

起重机架的建模结构体

出于用于确定高帧结构行为的瞬态模拟的目的，SC的模型设计有225个有限元素和135个具有810个自由度的节点。 该模型准确地表示了一个真实的现有结构（图1）。 在框架结构动力学实验研究的基础上[06]和[07]，作者从实验中确定了安全系数，结构阻尼。 对于高起重机和类似机械，该系数（G）取值在0.05和0.06之间。 MSC NASTRAN软件用于结构建模以及所设计模型的几何非线性动态分析。

在普拉造船厂（克罗地亚）的水平门座起重机（SC）的实际结构上，实验证明（验证）了一种新的刚度模型[08]。最大SC的高度为67米，最大值达到40米，门座基础尺寸为b1*d1=6*8米，起重机总质量为400吨。水平变幅系统有四个-杆机构形式，元件和摇杆之间有铰接连接。起重机的有效载荷为25/15/5吨，变幅距离分别为27/37/40m。中心桅杆的高度为30米。移动机构设置在桅杆上的旋转平台内。在桅杆和平台的上方设置了框架-塔架结构。塔架上的水平变幅机构的基本构件如图1所示（拉杆杆，臂架，象鼻梁）。水平变幅传动机构有一个主轴作用在臂架上。通过使用四杆机构形式的结构来平衡臂架系统 --质量为21 t的平衡臂和配重。整个100吨重的起重机变幅平衡结构设置在平台上。 1 图一（频率w1 = 0.3147 Hz）造船起重机

利用普拉造船厂的试验结果，验证了所建立的SC有限元模型的弹性 即在这种情况下，起重臂顶部的弹性。 也就是说，象鼻梁前端的路径是通过光学调平方法确定的。通过这种方式，检查了模型的质量。实验研究结果如图2所示，并显示了它们的分析、数值和实验数据的叠加。

在图2中，矩形虚线符号指带载运行的起重机的测量值。该实验使用光学方法进行。在同一图中，黑色完整曲线显示在载荷为为12吨的情况下，象鼻梁前端平移的数字包络，通过有限元分析计算得出。略微明亮的完整曲线为我们提供了刚体机构的理论轨迹，即起始位置起重机臂架的顶部。在整个水平变幅范围内，摇杆顶部偏转的实验和数值结果最大相差10％[09]。这些偏差在本质上主要是非线性的。它们是由海岸轨道几何结构的流变变化以及起重机钢结构大型构件制造中的制造误差引起的。

风荷载模型的发展

为了分析强风影响下的高空起重机结构的性能，作者在普拉的乌尔贾尼克船厂选择了一台水平变幅起重机，该起重机经常暴露在空气的影响下，没有机会切换到安全位置。该船用起重机具有多体结构。它包含几个子结构，如：基座，塔架，旋转平台，控制舱，配重，塔架，臂架（臂架），杆，水平变幅机构和象鼻梁。在创建模型时，大多数子结构都可以使用构件的框架和梁类型进行建模。上述元件类型可充分考虑空气动力，从而近似忽略涡流产生的空气动力影响，因此在直接瞬态分析中不考虑这种影响。与暴露（垂直）起重机区域的正常情况相比，入射角a下的阵风引起的具有谐波性质的NAL荷载。本研究以两种方式计算风力，一是作为静力，以消除静稳定边界条件，二是作为在阵风作用下的动摄动力，以确定起重机结构的动力储备。

在重力中心作用于起重机暴露表面的风力，与起重机的高度不同，最大值距地面67米。 在直接计算程序中，整个结构起重机分为七个部分 -单个ar eas Ai，其中i = 1E7表示表面的序列号（图3）。由于所有表面都是垂直放置的，因此可以采用相同的入射角，并且每个表面的单独风力Fi（意思是：风力通常作用于表面）入射角为0o。 当起重机的支撑结构的尺寸确定时，构件上的风压力被认为是恒定载荷。

图3和表2显示出了每个基本表面Ai的重心Ti的高度Zi。 表2提供了所有使用的元素形状的描述和形状系数cs。 等式（5）中的风力fw（i）的个体力描述了结构基本表面a i上的风的稳定状态，考虑到标准[10]、[11]和[12]以及研究[13]。

其中：Ra = 1.225kg / m3是150℃温度下干燥空气的空气密度; Cs是形状系数（根据直到最近有效的标准SRPS U.C7.113）; Ai [m2]是每个观察到结构元件的表面（高度为zi的基本表面）; v = U（z）[m / s]是每个观测高度z的风速，考虑到地理降雨粗糙度z0; a = 00是风效应方向与结构观测构件表面法向之间的角度（如果风垂直作用于表面，则a=00，cosa=1）。为了计算给定高度z处的垂直风廓线，对数剖面模型，符合标准[14]和10分钟速度的平均条件U（Href）在参考 - 195Goran Radoi膷i膰 - 对高大造船厂框架结构的脉冲风效应的瞬态模拟，429应用工程科学15（2017）2 Href高度= 10 m这里使用对数风速剖面定义为：

其中U（z）是高度z处的当前风速，而U（Href）是参考高度Href = 10 m的平均风速，在T = 10 min的展开时，即：

以及：Href = 10 m - 参考高度; ka = 0.4“von K谩rm谩n常数; z0 = 0.001-0.01 m，采用z0 = 0.01 m - 陆上沿海地区的地形粗糙度参数风基于Panofsky和Dutton 1984，Simiu和Scanlan 1978，Dyrbye和Hansen 1997，[14]; z-风力作用的入射点的高度; k#39;表面摩擦系数

基于前SFRY中临时和近似参考风速的概述，回归期为50年[15]以及工程[16]和[05]，采用参考（基本）风速：U1 （10）= v1，ref = 35m / s，即U2（10）= v2，ref = 45m / s。 因此，获得用于在两个所选参考速度U1和U2的函数中确定高度z处的对数风速分布的表达式（表2）：

作为高结构典型代表的船体水平门座起重机的开发有限元模型被用于瞬态分析，其中推荐的风静力增长系数不可用。基于气象站多年监测的西巴尔干地区强风的真实性质，将其纳入时间fh（t）（9）。这种分析更接近于给定离岸地点的实际情况（重现），为起重机所有者维护其稳定性提供了一个更安全的保证。强风呈波浪形，具有时间函数。虽然风具有随机性，但也可能发生一定的重现性，如由于自然和环境的季节性循环而导致的海岸气流的地形定向。因此，作为一般采用结构动力分析模型，对结构瞬态风荷载效应进行分析。此外，激振力（和速度）取自观测期间的官方气象证据。作者选择的激振波函数作用于起重机结构，是一种具有一个或多个短且强的风谐波阵风的不利风效应。描述风的动态特性的波函数在等式（9）中数学上表示为单个表面a的单个力fh和入射角：

其中Fw是作为静态

资料编号：[3165]

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