摘 要

箱型双梁结构广泛应用于桥式起重机机和门式起重机中，箱形截面具有良好的抗弯和抗扭特性，它的上下翼板是结构提供抗弯能力的主要部位，腹板主要承受结构的弯曲剪应力以及由扭转剪应力引起的主拉应力。比同截面的实腹梁自重轻，耗材少，抗弯性好。而且加工比较方便，质量易控制。

风荷载具有随机性与空间相关性，目前起重机因风灾造成的损失时有发生，为减少经济损失，对其风载荷的进一步研究很有必要。

本文主要介绍用数值仿真模拟研究风载荷作用下箱形双梁结构双向流固耦合的具体步骤。从开始的模块选择、连接，建模等一直到最后的后处理和模态分析都有较详细的介绍。

本文仿真实验包括用半经验公式和直接模拟法对模拟涡激振动进行了尝试。虽然最终并没有成功，但其经验可以让后来者汲取教训。

本文仿真实验包括对相同双梁模型施加不同风载荷的一系列仿真实验，并对其中的数据进行了分析、总结。

本文还介绍了本课题的经济性和环保性优势。

本文仿真实验还有一些针对箱形梁相同特征尺寸比例，相同间隔比和风速下，不同尺寸的仿真实验，也对其数据进行了分析和总结。

关键词：箱型双梁 流固耦合 数值仿真 风振 风力系数

Abstract

The box type double girder structure is widely used in bridge cranes and gantry cranes. The box section has good bending and torsion resistance. Its top plate and bottom plate are the main parts of the structure to provide bending resistance. The web is mainly subjected to The bending stress of the structure and the principal tensile stress caused by torsional shear stress. It is lighter in weight than solid cross-section beams with the same cross-section, with fewer consumables and good bending resistance. And the processing is more convenient and the quality is easy to control
The wind load has randomness and spatial correlation. At present, the loss caused by wind disasters occurs from time to time. To reduce economic losses, further research on wind load is necessary.
This paper mainly introduces the specific steps of numerical simulation to study the bi-directional fluid-solid coupling of box-type double beam structure under wind load. It have a more detailed introduction from the beginning of the module selection, connection, modeling, etc. to the finally post-processing and modal analysis.

In this paper, simulation experiments include the use of semi-empirical formulas and direct simulation methods to try simulated vortex-induced vibration. Although it did not succeed in the end, its experience could allow latecomers to learn.
The simulation experiment in this paper includes a series of simulation experiments with different wind loads applied to the same dual-beam model, and the data of these simulations are summarized.

This article also introduced the economic and environmental advantages of the subject.
In this paper, there are a series of experiments in the simulation experiment, and the simulation and analysis of their data are also carried out for the simulation of the same feature size ratio, the same interval ratio and the wind speed for different dimensions of the box beam.

Keywords: box-type double beam fluid-solid coupling numerical simulation wind vibration wind coefficient

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文的研究内容 2

第2章 离散化方法 3

2.1. 有限差分法 3

2.2 有限元法 3

2.3 有限体积法 4

第3章 ANSYS流固耦合分析及仿真方案 5

3.1 ANSYS流固耦合分析 5

3.1.1单向流固耦合分析 5

3.1.2双向流固耦合分析 6

3.2箱形双梁仿真方案 6

3.2.1箱形双梁问题描述 6

3.2.2创建分析项目 7

3.2.3建立几何模型 7

3.2.4结构网格划分 9

3.2.5结构分析设置等 9

3.2.6风场的网格划分 10

3.2.7命名边界 10

3.2.8 CFX的前处理 11

3.2.9 CFX求解。 14

3.2.10后处理。 14

3.2.11模态分析。 16

第4章 数值模拟可靠性验证 17

4.1 风工程的研究历史 17

4.2理论计算 17

4.2.1风载荷计算 17

4.2.2梁中点位移的计算 21

第5章 数值仿真及其结果分析 23

5.1箱形双梁在不同风速下的流固耦合算例分析 23

5.1.1引言 23

5.1.2数值模拟结果 23

5.1.3结果分析 26

5.2涡激振动 27

5.2.1涡激振动概述 27

5.2.2涡激振动仿真 28

5.3 箱形梁截面尺寸对风力系数的影响 30

第6章 课题的经济性与环保性分析 31

6.1课题的经济性分析 31

6.2课题的环保性分析 31

第7章 结论和展望 32

7.1结论 32

7.2展望 32

参考文献： 34

第1章 绪论

1.1目的及意义 

近年来随着我国社会主义现代化建设的不断加强，改革开放政策的贯彻落实，我国各行各业欣欣向荣，日新月异。我国起重机行业也得到了极大的发展，其中上海振华更是世界海洋领域起重机制造的领跑者，是世界知名的重型机械制造企业。

 梁式型起重机可分为梁式起重机、桥式起重机、龙门起重机、缆索起重机、运载桥等种类。梁式起重机可在工厂车间用来运送物料，可在集装箱码头搬运和装卸集装箱，也可在化工工业工厂和运送货物的火车站点等地使用，它可以极大的减轻工人们的劳动强度，操作也很简单，在我国自动化和半自动化建设中起着重要的作用。

在自然界中，风几乎无处不在，其中狂风、暴风等会对人们的生活产生一些影响，而龙卷风、台风等的影响更是极大。对于梁式起重机来说，虽然其材料是结构钢，但其迎风面积也较大，考虑风对其施加的载荷即风载荷对其产生的影响相当有必要。《起重机设计规范》中规定所有露天工作的起重机都应该考虑风载荷的影响，这表明研究风载荷对起重机的影响规律尤为重要。研究其与风场的耦合振动关系可以提高起重机的使用寿命和安全度，减少由风载荷引起的损失和预防耦合振动造成的事故。

CFD即计算流体力学技术是在二十世纪60年代诞生的，但由于当时的条件所限，没有在第一时间得到发展和应用。随着科学的进步，人类生活水平的提高，专家学者们对计算的精度和效率的要求也越来越高，在计算机性能得到大幅度提升之后，相关的研究者们结合了一些最新的数值分析方法。在CFD的基础上建立Fluent和CFX两个流体计算分析体系，使用它们的专家学者们也认为其结果数据准确可靠^[1]。本次研究所用的数值仿真软件就是包含了这两个计算分析体系的ANSYS软件，流体计算模块使用的是CFX，它在很多方面的性能要高于Fluent。

1.2国内外研究现状

在数值模拟出现之前，首先通过风动实验来研究风载荷，在的出大量的实验数据之后，再通过一些数据分析方法拟合得到各种外形构件的风载荷变化规律，在从中总结得出相应外形的近似计算公式即经验公式，这些公式具有普适性，可以满足国家规定的精度但也具有一定的使用范围，随着时间的推移，在发现问题后，不断的对经验公式进行完善，其使用的范围也越来越广，准确度也越来越高。虽然用经验公式计算得到风载荷非常简单迅捷，但在当时研究结构对风场的影响和结构的瞬态反应时只能使用风洞实验研究，这样也可以得到更加精确的风载荷数据。

在以前也包括我们现在的大学课程学习和课程设计阶段，我们主要使用《起重机设计规范》和教材上所给的经验公式来计算风载荷。但在计算机科学已经较为发达而且还在快速发展的今天，使用计算机进行计算分析在一般情况下已经比人手工计算更加准确可靠。同时CFD技术已经发展的相当成熟，在CFD基础上形成的CFX计算分析软件体系可以很好的展现结构和流场的反应情况，它所的到的数据比手工计算更加准确完整，可查看流固体系的时程变化情况，使数据更加形象。与风洞实验相比，其使用成本更低，得出数据更简单直接，花费时间更短，使用次数更多，还不受模型尺寸的限制。该方法可以对流体的流动、热传导等一些物理量进行计算、分析^[2]，目前其在风工程中已经被广泛应用。在起重机设计方面也使用的越来越频繁。在国内吴雪阳、程文明等也对双箱梁结构进行了数值模拟并发现挡风折减系数与起重机设计规范有差别^[3]。

1.3本文的研究内容

本文通过计算流体力学理论方法（CFD）和 ANSYS软件Workbench的双向流固耦合分析方法对箱形双梁结构进行风载荷仿真模拟计算分析，研究了箱形双梁结构在相同特征尺寸比例不同尺寸和相同尺寸不同风速下其风载荷和中点位移的变化规律，以验证该数值模拟方法、研究风力系数随尺寸变化而变化的规律，用位移曲线显示风载荷与静载荷的差别，使起重机设计者更好的理解风载荷，还进行了涡激振动实验的尝试。

第2章 离散化方法

离散化方法从求解区域的假设替代方法及推导控制方程的方法不同的角度，可以分为有限差分法、有限元法和有限体积法等类型。

2.1. 有限差分法

有限差分法（FDM）出现较早，现在比较成熟，得到的结果精度较高。它先将连续模型用差分网格划分，在给这些网格点附加上一些已知物理量和待求物理量，用这些附加了物理量的网格点代替模型，再用差商代替控制方程的倒数，并推导出含有这些待求物理量的差分方程组。原微分方程的解用此差分方程组的解近似代替。它其实只是将微分方程分体用代数方程代替，求出其近似解。这种方法在求解抛物型和双曲型问题的领域中应用较多，在局部较复杂时其处理较麻烦，应用较少。

2.2 有限元法

在变分原理和加权余量法被提出以后，有人在此基础上提出了有限元法。它将连续的求解域划分成一系列小单元，单元间用单元节点连接，单元内部点的待求物理量用节点值和插值函数计算近似表示，然后再依照变分原理和加权余量法的方式，用控制方程推导出单元节点上的积分方程，再将这些积分方程合成各节点上的代数方程组。最后求解这些方程组可得到结果。

有限元法最初应用于结构力学，用来解决结构和固体连续的小变形问题，后来它成为结构力学中的一种较好的分析方法。流体力学的性质较为复杂，微分方程是非线性的，因此有限元法在后来较成熟时才应用于流体力学中 ^[4,5]。对于同样使用有限元法进行离散化的流体和固体模型，其耦合分析的配合更好。有限元法的使用范围较广，它能用来求解形状较复杂的结构。

因为固体的性质和流体的性质在很多方面区别较大，有限元方法是从研究固体结构开始发展，现在在流体计算方面还有很多问题，还需要进一步的研究和探讨^[4,5]。有限元的一些算法如高阶圆等比其他方法得到的结果精度更高，但其计算所发的时间也更多，所产生的数据量也更大。它在处理非线性项时比有限差分法更复杂，也更慢。有限元法应用了复杂的形函数，这就使它变得很复杂，特别是在求解三维问题和高精度要求问题的情况下。有限体积在这一点上比它好很多。

2.3 有限体积法

有限体积法（FVM）又被称为控制体积法。它先将求解域划分网格，使每个网格点控制它周围的一个体积，这些体积互不重叠且累加起来为原本的求解域；然后将待解微分方程即控制方程对所有的控制体积进行积分得到一组离散方程。再解这组离散方程组就可以得出待求的量，其所得的结果也是一个近似解。

由于有限体积法的离散方程是以对所有单元进行积分得到的，而这些单元合在一起就是原求解域，所以流体满足在单元内的质量和动量等的守恒与满足在原求解域中的守恒是一致的。与此同时其在固体流体整个计算区域的守恒方程也能得到满足。有限体积法对网格的要求较低，它在网格较粗时就可以很好的满足这些守恒方程。而有限差分法却不行，它在网格极细时才行。

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