1．目的及意义

风是自然界中的一种普遍现象，它发生频率高，持续时间长，影响范围广。国内外由于风荷载引起的结构破坏的实例并不罕见，比如 Baylay M.J.曾报导了9个大跨度屋盖在风速达 34m/s 时造成永久损坏的事件；在 8807 号台风的作用下杭州览桥机场候机楼、市体育场屋顶遭到严重破坏；温州机场屋盖在9417 号台风的作用下严重受损。不仅如此，通过近些年起重机事故数据统计分析可知，许多港口起重机因风载荷作用而引起事故。港口尤其是海港，由于其特殊的地理位置，港口机械常年受到风载荷的作用，在起重机处于非工作状态时，起重机金属结构在风载荷作用下，结构应力发生变化或者产生振动，结构产生疲劳；当起重机处于工作状态时，风振疲劳增强了正常工作载荷对结构疲劳的影响。这都对结构的安全性产生了不利的影响。随着起重机大型化的不断发展，风载荷变成了一项越来越重要的载荷。但《起重机设计规范》中对其规定的条款比较简略，使得在设计过程中对风载荷的计算也不够精确。所以，对港口机械金属结构风载荷及其在风场中的力学特性的分析对于起重机的设计、使用及维护具有重要的意义。

国内外已有的研究表明，容易出现风振而损坏的构件形式是细长杆件。所以，通过对典型结构——槽型单梁结构的风振特性进行分析，能够更好地了解风载荷对结构造成的不利影响。

风载荷的研究方法有；基于随机振动的理论研究、风洞实验、现场实测、数值模拟仿真。使用数值模拟仿真方法效率高，周期短，可以方便地模拟实际风场情况。分析结构在风载荷作用下的动力响应，传统的方法是对结构有限元模型的节点施加风荷载；为了获得更为精确的风振响应，通过ANSYS软件的计算流体力学(CFD)模块进行流固耦合数值模拟仿真计算。

在脉动风作用下，结构与风场之间会产生流固耦合作用。流固耦合的重要特征是两相介质之间的交互作用，固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，这种相互作用在不同条件下产生不同的流固耦合现象。结构与风场的流固耦合作用可能会对结构振动起激励作用，使结构从风场中吸收能量, 产生自激性振动。特别是当这种耦合作用很强且持续时间较长时，由于结构不断从风场中吸收能量，使结构增加的动能大于阻尼所消耗的能量，这时结构的反应会不断增大，最终导致出现结构失稳。

流固耦合计算方法已在飞机、火车、建筑等领域得到广泛应用，分为流体计算和结构计算，流体计算的瞬态数值模拟相对稳态数值模拟能够在时域上更加精确的模拟时间步长内的流场状态，对于脉动风场具有较好的适应性和求解精度。同时数值模拟能够更真实的仿真非稳态环境下的风场结构。而瞬态结构仿真则能够准确仿真出结构在不同风场条件下的风振特性。

针对风振特性问题，国内外学者开展了一系列的研究工作：

在上世纪70年代初，美国宾夕法尼亚州费城的著名景点三跨连续钢结构桁架桥Commodore Barry桥上出现了构件风毁现象，美国学者对此展开了一系列的研究。Mather与Wittig通过气弹模型风洞试验和节段模型探讨了H型截面杆件风毁的原因，认为涡激振动引起的大副弯曲和扭转是导致结构损坏的主要原因。

西南交通大学朱小海，首先利用ANSYS软件建立了2000t大型门式起重机的有限元模型。对其进行了数值模拟仿真，风振特性研究及风压分布特性研究。得到了该门机风速场、风压场分布图。在此基础上，首次提出用风压不均匀系数来表征门机的整体风压分布情况^[9]。

武汉理工大学郭庆，赵章焰，利用三维建模软件SolidWorks 建立港口大型门座起重机三维模型，经过网格划分等前处理后导入计算流体力学分析软件CFX 中，计算门座起重机的风载荷得到其在流场中的风速场、风压场分布图，再分析求解其风力系数，并在此基础上提出采用风压不均匀系数表征门座起重机表面风压的分布规律^[10]。

广东电网公司中山供电局王千军，利用风场与杆塔结构的流固耦合作用，建立流固耦合控制方程，研究了基于流固耦合的单管塔风振响应有限元分析。得到流固耦合作用下不同温度流体对单管塔变形程度的影响^[15]。
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2. 研究的基本内容与方案

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2.1基本内容