风对大型港口机械的脉动效应研究

摘要：近些年来，随着世界经济的快速发展，大量货物以及集装箱的全球运输对于港口机械的效率和工作环境都逐渐提出了更高的要求，港口机械在运行状态下除了风载之外还需要同时承受很大的垂向荷载，以及由于工作装置运动所引起的横向荷载，大悬臂和高强钢等一系列的新技术的投入使用也大大减轻了工程机械的整机重量，从而极大地提高了工作的效率，同时，也很好地促进了我国港口机械向着大型化的趋势发展。本文主要讲了风对大型港口机械的脉动效应研究现状以及风机脉动风场的特征分析等内容。

关键词：大型港口机械 脉动效应 现状研究 工程实例

随着人们对环境问题和能源问题的关注度越来越高，我国的风力发电技术也得到了迅速发展，在我国，风能资源非常丰富，并且具有巨大的发展潜力，当前，我国的大型风力发电机也开始得到越来越广泛的应用，兆级大型风机本身具有工作风速范围广泛、转动惯量大，塔架和叶片的柔性大的特点，为了能够充分保证大型风机的安全性，设计者在对风机进行设计时就必须在风荷载的作用下加强动力分析，对海上的风力发电塔进行脉动效应研究和分析具有积极的影响。

1 风对大型港口机械的脉动效应研究现状

大型港口的机械工作大多处于近岸海域或者是码头的前沿，其中风的影响是不容被忽视的，在传统的港口机械设计的过程当中，风载通常会按照静载处理，往往就忽视了风本身的脉动效应，这就需要在有限元建模的基础之上来模拟脉动的风荷载，对大型机械在工作状态以及非工作状态中的动态响应作出预测，并将其与传统风载处理为静载的相关方法进行对比研究，实践证明，当处于工作状态时，风的脉动效应对结构所产生的最大应力变化值影响并不大，主要影响就表现在最大的应力点分布的空间上，对于支座反力没有产生很大的影响；当处于非工作状态时，风的脉动效应往往会使的支座反力出现较大幅度的波动，在这时，平均值已经不能用来充分衡量整个结构所具有的安全性，需要对时间历程和标准差进行同时关注。

港口机械大多都是在近岸海域或者是码头前沿进行工作，往往需要承受很大的风载，与一般的土木结构不同，港口机械在运行状态下除了风载之外还需要同时承受很大的垂向荷载，以及由于工作装置运动所引起的横向荷载，近些年来，随着世界经济的快速发展，大量货物以及集装箱的全球运输对于港口机械的效率和工作环境都逐渐提出了更高的要求，大悬臂和高强钢等一系列的新技术的投入使用也大大减轻了工程机械的整机重量，从而极大地提高了工作的效率，同时，也很好地促进了我国港口机械向着大型化的趋势发展。自然风主要包括两个重要组成部分，一个是平均风，一个是脉动风，对于一些轻柔的港口机械来讲，脉动风对于结构所产生的影响是较为显著的。

2 工程实例

2.1 某大型岸边集装箱的有限元模型和起重机

本节主要以某大型的岸边集装箱所带有的起重机为主要研究对象，其机臂架的长度大约为140m，轨距大约为35m，门框的高度大约为80m，不仅轨距大而且悬臂长，在有限的元建模当中，结构主体主要是利用三维梁的单元进行模拟，对用杆单元进行前后拉杆，利用质量单元模拟岸桥工作机构中的质量贡献，图1即为岸边集装箱的有限建元模型，模型中的材料弹性模量选择210Gpa，泊松比选取0.3，而阻尼比选取2%，将约束施加在底部的支座上，分别约束3个方向的自由度。

对岸边集装箱的起重机机构模型加以模态的分析，就可以得到结构所含有的模态参数，通过研究表明，在5阶的模态计算结构当中，有4阶模态会表现出臂架震动，说明集装箱的臂架震动很容易被激发。

2.2 荷载的组合

起重机在正常的工作状态下以及不正常的工作状态下，其支座的反应力以及应力需要进行细致的分析，起重机在正常的工作状态时，需要承受侧向的风载荷、竖向的风载荷以及惯性载荷，其工作载荷需要考虑到起升的动载系数在600kN，当处于非工作状态的时候，起重机往往只能承受侧向的风载荷。

2.3 结果分析

当处于工作状态下时，岸桥脚的支点会沿着y的方向做出支反力的响应，支反力所表现出的时间历程不会出现明显的波动，并且各支点的支反力其标准差非常小，并且各支点的支反力数值均大于零，因此其结构不会出现倾覆的现象。当处于非工作的状态下时，其结构往往就不能再承载惯性载荷以及工作载荷，这时风载荷就会变成主导的载荷，不需要考虑风的脉动效应。

3 风机脉动风场的特征分析

3.1 脉动风场

在大气边界的脉动风场具有很强的非平稳随机性，尤其是在中性的大气当中，脉动风场自身所具有的特性实际上是由海拔高度以及地表的粗糙程度所决定的，典型性的地表粗糙长度如下表1所示，其中地表的粗糙长度用长度Z表示。

我们可以将脉动风看成是三维的风湍流，并且将其奉承垂直、横风向和顺风向三个不同方向上所表现出的脉动风场，其脉动风场所表现出的能力特征主要是以不同方向上的功率谱密度函数来进行描述的。

3.2 对风机脉动风场的分析

可以采用有限元法来对风机脉动风场的整体结构进行离散，并将他家分别等效设置四个集中点，叶片等效设置三个集中质点，这些等效质点就是在进行动力计算时所要输入脉动风时程的一些计算点，风机脉动风场主要可以表现为两大部分，一种是叶片脉动风场，一种是塔架脉动风场，从脉动风场中的三维功率特点来看，垂直脉动风场和侧向脉动风场的能力较低，而能量较高的就是顺风向的脉动风场，塔架是一种倒锥形的钢塔筒，其各个方向的刚度是一致的，叶片始终会出现迎面风的方向，这就使得垂直向脉动风场和侧向脉动风场对于叶片和塔架的影响不大，甚至可以忽略其脉动的影响，相比较而言，顺风向的脉动风场能量是较高的，也是塔架和叶片所受的最主要的脉动荷载。

大量的观测研究证明，风场具有很大的空间相干性，因此，在对脉动风场进行研究时首先就必须要考虑到空间的相干效应，大量的风洞试验结果证明，不管是在垂直方向还是在水平方向上，当某一点正在承受在巨大的风速时，如果距离该点的距离越远，那么多承受这一风速的概率就会相对减小，这就说明相干函数是符合指数函数的分布的，并且同计算点所处的空间距离有一定的关系。由此可以得出结论，在海上风机脉动风速的模拟过程当中，必须要充分考虑到垂直向和顺风向计算点的一些相干性问题，其相干函数必须是二维的相干函数。作为随即模拟过程中的一种近似的、离散的数值模拟方法，谐波叠加法可以通过计算目标谱和谱的对比过程中得出结果，实践证明，这种方法其精度是可以被接受的。在使用谐波叠加法时，所选取的随机数对模拟的结果会产生很大的影响，加强对随机数选择的原则进行确定是以后需要继续研究的问题。

4 结语

在有限元建模研究的基础上，与脉动风速的模拟实验相结合，加强对风的脉动效应所能对大型港口机械承载能力产生的影响进行分析，证明在工作状态下，海上风的脉动效应所能对大型港口机械产生的应力值影响并不大，其所能产生的影响体现在空间上最大应力点是如何分布的，并且对支座反力所产生的影响也较小，随着时间的波动支反力变化较小；当处于非工作的状态时，在这时，平均值已经不能用来充分衡量整个结构所具有的安全性，风的脉动效应所能对大型港口机械产生的支反力影响较大，并且支反力在这时也会表现出很大的波动，因此需要对时间历程和标准差进行同时的关注。

参考文献：

[1]谭利波，张赞云.港口起重机械作业注意事项及安全管理协调分析[J].价值工程.2010(15).

[2]白鹏.浅析港口大型起重机械如何防风[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2012(06).

[3]宋桂江.黄骅港三期筒仓工艺及安全监测技术研究及应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2012(07).

作者简介：李浩，男，(1982-)，河北辛集人，助理工程师，研究方向：煤炭港口机械（取料机、装船机）。