姚峰林 崔耀東 孟文俊 李 輝 石國善

1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 太原 030024 2.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司 徐州 221005

0 引言

隨著我國東南沿海地區(qū)各大型項(xiàng)目建設(shè)的陸續(xù)開展，市場(chǎng)對(duì)大噸位起重機(jī)的需求日益增加，尤其是對(duì)桁架臂式履帶起重機(jī)的需求迫切。東南沿海地區(qū)是風(fēng)災(zāi)的高發(fā)區(qū)，考慮風(fēng)載對(duì)起重機(jī)影響成為桁架臂式履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)人員新的考慮因素。以往設(shè)計(jì)人員依據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮風(fēng)載荷對(duì)履帶起重機(jī)的影響。除此之外還有風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)由于成本較高、危險(xiǎn)性較大、實(shí)驗(yàn)條件不易滿足，通常情況下設(shè)計(jì)人員并不會(huì)采用，而風(fēng)洞試驗(yàn)只在部分高校進(jìn)行，制約了研發(fā)人員采用此方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和商業(yè)軟件的發(fā)展，通過數(shù)值計(jì)算模擬流體流動(dòng)的方法成為設(shè)計(jì)人員常用的新方式。最早通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)CFD軟件的是Ansys CFX，它計(jì)算結(jié)果精確，物理模型豐富，用戶擴(kuò)展性強(qiáng)，功能強(qiáng)大。應(yīng)用Ansys CFX研究履帶起重機(jī)臂架的風(fēng)載荷，對(duì)臂架輕量化設(shè)計(jì)和整機(jī)安全具有重要的工程實(shí)踐意義。

秦昊等[1]對(duì)造船門式起重機(jī)開展流體風(fēng)場(chǎng)計(jì)算以及結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證流固耦合分析方法及流程的合理。王路慶等[2]對(duì)汽車起重機(jī)伸縮臂開展了流固耦合分析，模擬伸縮臂背面和側(cè)面受到風(fēng)壓的影響。郭慶等[3]對(duì)門座起重機(jī)的風(fēng)載荷仿真得到其流場(chǎng)中的風(fēng)速場(chǎng)、風(fēng)壓場(chǎng)分布圖，分析求解其風(fēng)力系數(shù)，提出采用風(fēng)壓不均勻系數(shù)。郭彥軍[4]對(duì)雙箱梁起重機(jī)進(jìn)行平均風(fēng)的流固耦合分析，對(duì)比了變形、應(yīng)力結(jié)果。張戩杰等[5]采用風(fēng)洞試驗(yàn)完成了7 500 t浮式起重機(jī)浮吊的實(shí)際風(fēng)載荷最大角度的探究。Demirtas C等[6]基于高頻動(dòng)態(tài)天平在風(fēng)洞中測(cè)試格構(gòu)式塔身正方形截面的體型系數(shù)。Sang JL等[7]在風(fēng)洞利用七分量天平測(cè)量作用在集裝箱起重機(jī)模型上的風(fēng)荷載。Voisin D 等[8]在塔式起重機(jī)模型上進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)量瞬時(shí)基底傾覆力矩。徐承軍等[9]對(duì)門機(jī)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬，繪制出應(yīng)力、流場(chǎng)壓力和流場(chǎng)速度分布圖。王玉璞等[10]對(duì)大型門式起重機(jī)的風(fēng)場(chǎng)繞流特性進(jìn)行單向流固耦合仿真分析，得到整機(jī)風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)變。董達(dá)善等[11]分析起重機(jī)雙箱梁結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)中的受載情況。

由上述可知，國內(nèi)外應(yīng)用大型通用CFD軟件研究起重機(jī)風(fēng)載主要集中在塔式起重機(jī)、門式起重機(jī)、橋式起重機(jī)、浮式起重機(jī)和港口起重機(jī)上，對(duì)履帶起重機(jī)風(fēng)載荷研究較少。由于履帶起重機(jī)桁架臂輕量化設(shè)計(jì)和復(fù)雜的實(shí)際工況的現(xiàn)實(shí)需要，履帶起重機(jī)的桁架臂流體風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬應(yīng)當(dāng)逐漸開始。本文采用Ansys CFX研究QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂的流體風(fēng)場(chǎng)，利用Ansys Workbench平臺(tái)將流場(chǎng)主臂結(jié)構(gòu)的表面壓力傳遞到固體計(jì)算模型中，實(shí)現(xiàn)主臂結(jié)構(gòu)的單向流固耦合數(shù)值分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 履帶起重機(jī)主臂建模

QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂固體模型建模參數(shù)如表1所示，用Pro-E建立合理簡化的主臂模型。

表1 QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂固體模型建模參數(shù) m

QUY220型履帶起重機(jī)流固耦合桁架臂主臂尺寸為39 m×2 m×2.2 m，為了減少流體風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域的大小對(duì)主臂模型附近流場(chǎng)的影響同時(shí)滿足流體風(fēng)場(chǎng)阻塞比＜3%的計(jì)算要求，流場(chǎng)模型選取為正二十四棱柱，高為200 m，內(nèi)切圓直徑350 m。

1.2 履帶起重機(jī)主臂網(wǎng)格劃分

用Pro-E建立QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型后，將其導(dǎo)入HyperMesh對(duì)主臂模型進(jìn)行幾何清理，分別劃分流場(chǎng)網(wǎng)格和固體網(wǎng)格。流體風(fēng)場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格包括桁架臂主臂表面采用的網(wǎng)格單元尺寸為0.03 m，其數(shù)量為278 608，其體網(wǎng)格數(shù)量為4 846 977。固體網(wǎng)格采用的網(wǎng)格單元尺寸為0.015 m，其數(shù)量為1 732 089。QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂固體單元質(zhì)量如圖1所示。

圖1 主臂固體單元質(zhì)量

1.3 履帶起重機(jī)主臂流體風(fēng)場(chǎng)邊界條件設(shè)置和固體加載設(shè)置

QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型的流體域中，回轉(zhuǎn)平面內(nèi)每個(gè)風(fēng)向角工況都有入口風(fēng)速設(shè)置，其中工作狀態(tài)風(fēng)速取15.5 m/s，非工作狀態(tài)取28.3 m/s和55 m/s作為入口風(fēng)速，湍流強(qiáng)度為5%，湍流長度為0.1 m，出口設(shè)置為靜壓0 Pa，側(cè)面和天空設(shè)置為自由滑移壁面，主臂模型表面和地面設(shè)置為無滑移壁面。流體風(fēng)場(chǎng)材料設(shè)置為Air at 25 C，參考?jí)毫? 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，湍流設(shè)置為shear stress transport，收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.000 1，主臂流體域模型如圖2所示。

圖2 主臂流體域模型

QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型固體加載設(shè)置，主臂底端設(shè)置為鉸鏈，約束5個(gè)自由度，放開繞X軸的旋轉(zhuǎn)自由度，拉板底端約束3個(gè)平動(dòng)自由度，放開繞X、Y、Z軸的3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，施加自重和130.6 t的吊載。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 流體風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理

GB/T 3811－2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和理論計(jì)算風(fēng)壓[12]與風(fēng)速的關(guān)系為

式中：w1為工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓，v為計(jì)算風(fēng)速。

GB/T 3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)風(fēng)壓[13]的規(guī)定為

式中：P為工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓，vs為計(jì)算風(fēng)速。

由非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓乘以風(fēng)力系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和迎風(fēng)面積可以得到非工作狀態(tài)風(fēng)載荷。

QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型流體風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)，工作狀態(tài)風(fēng)速取15.5 m/s，非工作狀態(tài)取28.3 m/s和55 m/s作為入口計(jì)算風(fēng)速。Ansys Workbench CFX數(shù)值模擬最大風(fēng)壓、理論計(jì)算風(fēng)壓、GB/T 3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算風(fēng)壓結(jié)果對(duì)比如表2所示，其中195°風(fēng)向角下風(fēng)速取15.5 m/s，28.3 m/s和55 m/s Ansys Workbench CFX數(shù)值模擬主臂壓強(qiáng)如圖3所示，說明在模擬履帶起重機(jī)桁架臂主臂風(fēng)載荷時(shí)，用Pro-E建立履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型，用HyperMesh對(duì)主臂模型進(jìn)行幾何清理和劃分流場(chǎng)網(wǎng)格以及Ansys Workbench CFX數(shù)值求解的方法是可行的且準(zhǔn)確有效，可用此方法來模擬起重機(jī)桁架臂主臂工作狀態(tài)風(fēng)壓和非工作狀態(tài)風(fēng)壓，進(jìn)行更準(zhǔn)確的桁架臂主臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)也驗(yàn)證了GB/T 3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算風(fēng)壓公式的準(zhǔn)確高效。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)GB/T 3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算風(fēng)壓比GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和理論計(jì)算風(fēng)壓以及Ansys Workbench CFX模擬的風(fēng)壓小，結(jié)果偏于不安全。

圖3 不同風(fēng)速流體風(fēng)場(chǎng)主臂壓強(qiáng)云圖

表2 模擬和理論風(fēng)壓結(jié)果對(duì)比

在桁架臂主臂的迎風(fēng)面，風(fēng)壓全部為正壓力。在桁架臂主臂的側(cè)面、背面，風(fēng)壓表現(xiàn)為吸力，全部為負(fù)值，在桁架臂主臂背面，負(fù)值的風(fēng)壓吸力表現(xiàn)的相對(duì)均勻，而在桁架臂主臂的側(cè)面，靠近來流風(fēng)的邊緣，一般負(fù)值的風(fēng)壓吸力較大。桁架臂主臂的側(cè)面風(fēng)壓分布相同，方向相反，側(cè)面風(fēng)壓橫向水平升力可以相互抵消。迎風(fēng)面的平均風(fēng)壓分布主要是來流風(fēng)導(dǎo)致的，而側(cè)面、背面的風(fēng)壓主要受到邊界層分離現(xiàn)象分離形成的漩渦產(chǎn)生的。

2.2 固體數(shù)據(jù)處理

用Pro-E建立QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型，用HyperMesh對(duì)主臂模型進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分以及約束，重力和載荷的施加，在Mechanical APDL中進(jìn)行數(shù)值求解，Workbench中查看位移應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。

只施加重力時(shí)總位移最大為0.018 384 m，總應(yīng)力最大為85.68 MPa，總應(yīng)變最大為0.000 447 49，總應(yīng)變最小為3.234 6×10-17， X軸方向最大位移為0.000 144 17 m，最小位移為-0.000 145 39 m，Y軸方向最大位移為0.000 176 31 m，最小位移為-0.004 916 5 m，Z軸方向最大位移為0.017 756 m，最小位移為-0.000 186 23 m。在重力作用下總位移主要是由Y軸方向位移和Z軸方向最大位移構(gòu)成，即履帶起重機(jī)桁架臂主臂在重力作用和78.16°變幅工況下會(huì)有前傾和下墜的趨勢(shì)。78.16°變幅工況施加重力同時(shí)吊載130.6 t時(shí)，位移、應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果如圖4所示。

圖4 主臂位移、應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果圖

2.3 流固耦合數(shù)據(jù)處理

利用Ansys Workbench CFX數(shù)值模擬流體風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓并將其傳遞到Ansys Workbench Static Structural模塊中實(shí)現(xiàn)單向流固耦合。為量化流體風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓在流固耦合中的作用，將重力和吊載壓縮掉，導(dǎo)入風(fēng)壓施加約束，查看主臂位移，應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果如表3所示。其中p為風(fēng)壓，g為重力，f為載荷。

表3 導(dǎo)入風(fēng)壓后的位移應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

在為QUY220型履帶起重機(jī)桁架臂主臂模型流體風(fēng)場(chǎng)－結(jié)構(gòu)模擬時(shí)，在195°風(fēng)向角工作狀態(tài)風(fēng)速取15.5 m/s和78.16°變幅工況下，流體風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)入風(fēng)壓最大為149.245 Pa，由風(fēng)速引起的位移為0.002 536 4 m，該位移主要是由X方向的位移和Z方向的位移構(gòu)成。施加重力和載荷后，位移為0.434 13 m，該位移主要是由Y方向的位移和Z方向的位移構(gòu)成。風(fēng)速引起的位移在總位移中占比為0.005 84。起重機(jī)在不大于5級(jí)風(fēng)的情況下作業(yè)，由風(fēng)速引起的位移占比較小，偏于安全。最大應(yīng)力為1.28×109Pa，是由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象，臂頭和底節(jié)部分需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而在中間部分其應(yīng)力結(jié)果如圖5所示，最大應(yīng)力為2.425 8 ×108Pa遠(yuǎn)小于弦桿材料的屈服強(qiáng)度8.845×108Pa。

圖5 主臂流體域模型圖

非工作狀態(tài)在195°風(fēng)向角工作狀態(tài)和78.16°變幅工況下，取28.3 m/s作為入口計(jì)算風(fēng)速，流體風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)入風(fēng)壓最大為497.259 Pa，由風(fēng)速引起的位移為0.000 385 2 m，該位移主要是由Y方向的位移和Z方向的位移構(gòu)成。施加重力后，位移為0.026 442 m，該位移主要是由Y方向的位移和Z方向的位移構(gòu)成。風(fēng)速引起的位移在總位移中占比為0.014 568。取55 m/s作為入口計(jì)算風(fēng)速，流體風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)入風(fēng)壓最大為1 877.2 Pa，由風(fēng)速引起的位移為0.031 948 m，該位移主要是由X方向的位移和Z方向的位移構(gòu)成。施加重力后，位移為0.049 539 m，該位移主要是由X、Y和Z的位移構(gòu)成。風(fēng)速引起的位移在總位移中占比為0.644 9。非工作狀態(tài)下，隨著風(fēng)速的逐漸增高由風(fēng)速引起的位移在總位移中占比提升較快。風(fēng)速引起的傾覆力矩逐漸增大。利用Ansys Workbench CFX和Static Structural模塊單向流固耦合方法估計(jì)主臂模型流體風(fēng)場(chǎng)的位移高效簡單。通過提取的結(jié)果可知，順風(fēng)向主臂位移明顯較大，而橫風(fēng)向和豎向位移與來流風(fēng)向角和吊載有關(guān)。

3 結(jié)論

計(jì)算履帶起重機(jī)桁架臂主臂表面的風(fēng)壓和流速，將CFX模擬的結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差最大為0.019 873，用此方法來模擬起重機(jī)桁架臂主臂工作狀態(tài)風(fēng)壓和非工作狀態(tài)風(fēng)壓結(jié)果是準(zhǔn)確可信的，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)GB/T 3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算風(fēng)壓比GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和理論計(jì)算風(fēng)壓以及Ansys Workbench CFX模擬的風(fēng)壓小，結(jié)果偏于不安全。采用GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》來計(jì)算風(fēng)壓是準(zhǔn)確的，用Ansys Workbench CFX模擬風(fēng)壓是可行的。

起重機(jī)在不大于5級(jí)風(fēng)的情況下作業(yè)，15.5 m/s風(fēng)速引起的位移在總位移中占比為0.005 84，由風(fēng)速引起的位移占比較小，偏于安全。非工作狀態(tài)下，28.3 m/s風(fēng)速引起的位移在總位移中占比為0.014 568。55 m/s風(fēng)速引起的位移在總位移中占比為0.644 9，隨著風(fēng)速的逐漸增高由風(fēng)速引起的位移在總位移中占比提升較快。風(fēng)速引起的傾覆力矩逐漸增大。在設(shè)計(jì)桁架臂主臂時(shí)應(yīng)該考慮風(fēng)載荷頻率對(duì)主臂的影響以及橫風(fēng)向?qū)χ鞅鄯€(wěn)定性和順風(fēng)向?qū)φ麢C(jī)傾覆的影響。