風對大型港口機械的脈動效應研究

摘要：近些年來，隨著世界經濟的快速發展，大量貨物以及集裝箱的全球運輸對于港口機械的效率和工作環境都逐漸提出了更高的要求，港口機械在運行狀態下除了風載之外還需要同時承受很大的垂向荷載，以及由于工作裝置運動所引起的橫向荷載，大懸臂和高強鋼等一系列的新技術的投入使用也大大減輕了工程機械的整機重量，從而極大地提高了工作的效率，同時，也很好地促進了我國港口機械向著大型化的趨勢發展。本文主要講了風對大型港口機械的脈動效應研究現狀以及風機脈動風場的特征分析等內容。

關鍵詞：大型港口機械 脈動效應 現狀研究 工程實例

隨著人們對環境問題和能源問題的關注度越來越高，我國的風力發電技術也得到了迅速發展，在我國，風能資源非常豐富，并且具有巨大的發展潛力，當前，我國的大型風力發電機也開始得到越來越廣泛的應用，兆級大型風機本身具有工作風速范圍廣泛、轉動慣量大，塔架和葉片的柔性大的特點，為了能夠充分保證大型風機的安全性，設計者在對風機進行設計時就必須在風荷載的作用下加強動力分析，對海上的風力發電塔進行脈動效應研究和分析具有積極的影響。

1 風對大型港口機械的脈動效應研究現狀

大型港口的機械工作大多處于近岸海域或者是碼頭的前沿，其中風的影響是不容被忽視的，在傳統的港口機械設計的過程當中，風載通常會按照靜載處理，往往就忽視了風本身的脈動效應，這就需要在有限元建模的基礎之上來模擬脈動的風荷載，對大型機械在工作狀態以及非工作狀態中的動態響應作出預測，并將其與傳統風載處理為靜載的相關方法進行對比研究，實踐證明，當處于工作狀態時，風的脈動效應對結構所產生的最大應力變化值影響并不大，主要影響就表現在最大的應力點分布的空間上，對于支座反力沒有產生很大的影響；當處于非工作狀態時，風的脈動效應往往會使的支座反力出現較大幅度的波動，在這時，平均值已經不能用來充分衡量整個結構所具有的安全性，需要對時間歷程和標準差進行同時關注。

港口機械大多都是在近岸海域或者是碼頭前沿進行工作，往往需要承受很大的風載，與一般的土木結構不同，港口機械在運行狀態下除了風載之外還需要同時承受很大的垂向荷載，以及由于工作裝置運動所引起的橫向荷載，近些年來，隨著世界經濟的快速發展，大量貨物以及集裝箱的全球運輸對于港口機械的效率和工作環境都逐漸提出了更高的要求，大懸臂和高強鋼等一系列的新技術的投入使用也大大減輕了工程機械的整機重量，從而極大地提高了工作的效率，同時，也很好地促進了我國港口機械向著大型化的趨勢發展。自然風主要包括兩個重要組成部分，一個是平均風，一個是脈動風，對于一些輕柔的港口機械來講，脈動風對于結構所產生的影響是較為顯著的。

2 工程實例

2.1 某大型岸邊集裝箱的有限元模型和起重機

本節主要以某大型的岸邊集裝箱所帶有的起重機為主要研究對象，其機臂架的長度大約為140m，軌距大約為35m，門框的高度大約為80m，不僅軌距大而且懸臂長，在有限的元建模當中，結構主體主要是利用三維梁的單元進行模擬，對用桿單元進行前后拉桿，利用質量單元模擬岸橋工作機構中的質量貢獻，圖1即為岸邊集裝箱的有限建元模型，模型中的材料彈性模量選擇210Gpa，泊松比選取0.3，而阻尼比選取2%，將約束施加在底部的支座上，分別約束3個方向的自由度。

對岸邊集裝箱的起重機機構模型加以模態的分析，就可以得到結構所含有的模態參數，通過研究表明，在5階的模態計算結構當中，有4階模態會表現出臂架震動，說明集裝箱的臂架震動很容易被激發。

2.2 荷載的組合

起重機在正常的工作狀態下以及不正常的工作狀態下，其支座的反應力以及應力需要進行細致的分析，起重機在正常的工作狀態時，需要承受側向的風載荷、豎向的風載荷以及慣性載荷，其工作載荷需要考慮到起升的動載系數在600kN，當處于非工作狀態的時候，起重機往往只能承受側向的風載荷。

2.3 結果分析

當處于工作狀態下時，岸橋腳的支點會沿著y的方向做出支反力的響應，支反力所表現出的時間歷程不會出現明顯的波動，并且各支點的支反力其標準差非常小，并且各支點的支反力數值均大于零，因此其結構不會出現傾覆的現象。當處于非工作的狀態下時，其結構往往就不能再承載慣性載荷以及工作載荷，這時風載荷就會變成主導的載荷，不需要考慮風的脈動效應。

3 風機脈動風場的特征分析

3.1 脈動風場

在大氣邊界的脈動風場具有很強的非平穩隨機性，尤其是在中性的大氣當中，脈動風場自身所具有的特性實際上是由海拔高度以及地表的粗糙程度所決定的，典型性的地表粗糙長度如下表1所示，其中地表的粗糙長度用長度Z表示。

我們可以將脈動風看成是三維的風湍流，并且將其奉承垂直、橫風向和順風向三個不同方向上所表現出的脈動風場，其脈動風場所表現出的能力特征主要是以不同方向上的功率譜密度函數來進行描述的。

3.2 對風機脈動風場的分析

可以采用有限元法來對風機脈動風場的整體結構進行離散，并將他家分別等效設置四個集中點，葉片等效設置三個集中質點，這些等效質點就是在進行動力計算時所要輸入脈動風時程的一些計算點，風機脈動風場主要可以表現為兩大部分，一種是葉片脈動風場，一種是塔架脈動風場，從脈動風場中的三維功率特點來看，垂直脈動風場和側向脈動風場的能力較低，而能量較高的就是順風向的脈動風場，塔架是一種倒錐形的鋼塔筒，其各個方向的剛度是一致的，葉片始終會出現迎面風的方向，這就使得垂直向脈動風場和側向脈動風場對于葉片和塔架的影響不大，甚至可以忽略其脈動的影響，相比較而言，順風向的脈動風場能量是較高的，也是塔架和葉片所受的最主要的脈動荷載。

大量的觀測研究證明，風場具有很大的空間相干性，因此，在對脈動風場進行研究時首先就必須要考慮到空間的相干效應，大量的風洞試驗結果證明，不管是在垂直方向還是在水平方向上，當某一點正在承受在巨大的風速時，如果距離該點的距離越遠，那么多承受這一風速的概率就會相對減小，這就說明相干函數是符合指數函數的分布的，并且同計算點所處的空間距離有一定的關系。由此可以得出結論，在海上風機脈動風速的模擬過程當中，必須要充分考慮到垂直向和順風向計算點的一些相干性問題，其相干函數必須是二維的相干函數。作為隨即模擬過程中的一種近似的、離散的數值模擬方法，諧波疊加法可以通過計算目標譜和譜的對比過程中得出結果，實踐證明，這種方法其精度是可以被接受的。在使用諧波疊加法時，所選取的隨機數對模擬的結果會產生很大的影響，加強對隨機數選擇的原則進行確定是以后需要繼續研究的問題。

4 結語

在有限元建模研究的基礎上，與脈動風速的模擬實驗相結合，加強對風的脈動效應所能對大型港口機械承載能力產生的影響進行分析，證明在工作狀態下，海上風的脈動效應所能對大型港口機械產生的應力值影響并不大，其所能產生的影響體現在空間上最大應力點是如何分布的，并且對支座反力所產生的影響也較小，隨著時間的波動支反力變化較??；當處于非工作的狀態時，在這時，平均值已經不能用來充分衡量整個結構所具有的安全性，風的脈動效應所能對大型港口機械產生的支反力影響較大，并且支反力在這時也會表現出很大的波動，因此需要對時間歷程和標準差進行同時的關注。

參考文獻：

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作者簡介：李浩，男，(1982-)，河北辛集人，助理工程師，研究方向：煤炭港口機械（取料機、裝船機）。