基于Ansys的船用甲板起重机结构风振响应分析

刘文峰

【摘要】随着世界各国海洋化战略的推进，更深更远的海洋探索、采集工作提上日程。作为海洋探索、采集的支撑基础的船用甲板起重机构的设计也要面向深远海复杂环境设计。对比常用设计，船用甲板起重机构更会凸显日常的风载振动问题。Ansys含有有限元分析必备的软件，设定操作平台。在风载状态下，识别动态响应，以便仿真模拟。探析了整机架构内的风振状态，提供运算参照。

【关键词】Ansys；船用甲板起重机；结构；风振响应

在母船航行状态下，风速时程显出了不均的倾向。风载荷含有多重的周期分量，周期跨度很大。对于偏短时段的这类分量，它自带的振动频次、自身频率都很近似，很易引发共振。共振附带着某一动力效应，带来结构形变，同时增添振动。基于新颖软件的这类整机构架，探析了它表现出来的风振响应，解析构架特性。

一.解析运算思路

对于风振响应，风荷载有着随机的特性。从现有状态看，运算风振响应含有如下的思路：

第一，是解析的思路。对于解析运算，要考量等效情形下的静力荷载，从而识别效应。在这之中，用静力学以便算出均衡的风力；选取经验参数。依照理论探析来算出脉动风力。在给定规范中，含有风振系数。受到构架限制，这类解析很难吻合偏复杂构架的起重机。

第二，是离散的思路，含有时域及频域。在上世纪中期，有限元法及配套的振动理论被创设出来，用于风载運算。对于离散频域，在有限元离散后，还要拟定适宜的假定。例如：构架固有的刚度、固有阻尼属性，二者应当恒定。确保这一前提，构架形变应被调控得很小，位移也要很小。忽略形变状态、气动弹性状态。对于脉动风速，它的时程关系着平稳态势下的随机过程，要参照零均值。位移响应关系着风载功率谱，构建了关系式，运算出均方根。对于离散时域，可直接增加精准的风载荷，含有脉动载荷。经过逐步积分，再去辨别动力响应。

二.构建功率谱

风振响应之中的风载荷，包含着脉动风、平均风这两类。对于平均风，它被归类为静力；对应的脉动风，含有动力荷载。典型的解析方法含有时域频域这样的双重类别。在这之中，频域解析搭配着必备的功率谱。频域解析侧重去分解现有的振型，考量随机振动。确保精度最优，求得最大数值的响应状态，或其他统计值。在功率谱内，脉动风载荷关联着风速、自带的功率等。

（一） 风速关联的函数

脉动风有着随机的特性。对于各个点，它们都关联着风向及风速，二者并不同步。若某一结构自带的受风面积偏大，那么脉动风就要关联着这样的空间。风洞试验得出来的数值表明：脉动风描画出来的风速谱之内含有某一函数，包含指数衰减。描画指数曲线，细分为纵横向这样的双重风速。在这种根基上，创设了二维架构的表达公式。对于顺风风向、垂直风向，都拟定了衰减系数。

（二） 静力风振函数

给定规范内，选定的系数超出1。系数乘以静力状态之下的风载荷，可得响应数值。它含有脉动风表现出来的响应，即风振系数。后续运算时，要衡量风振系数、相关峰值因子。规范拟定的数值选取了2.3。给定自由度内，静力风载荷还关联着各时段的位移。细分出不同数值的自由度，它们关联着脉动位移这样的均方根，表述位移响应。有关文献拟定：若选取了2.3这一峰值因子，那么总体的保证率将会超出97%。

（三） 紊流风关联的特性

脉动风速被表征为某一功率谱，表述了紊流风。设定频率域范畴内，脉动风布设的能量彼此均衡。对于水平阵风，它的峰值被凸显在1分钟左右。功率谱的表述，含有脉动频率、均衡的风速、地表粗糙程度、测得的湍流尺度。依照不同地段、不同方位高度，选出了多次这样的强风记录。

（四） 自相关的函数

脉动风含有自相关的某一功率谱。运用振型分解，在总的风载荷之下，结构响应可细分成多重的独立方程。对于细分出来的自由度，位移关联着功率谱。在给定式子内，要考量稳态情形下的频响函数、风载荷的函数、相关共轭函数。设定了自由度，再去算出均衡数值的风载荷。必备的数值含有测得的节点高度、地表状态之下的高度系数、某一高度之处的精准风速、自由度空间这类的函数。

参照公式可得：随机统计得出来的风速关系着地表是否粗糙，还关系着风速。对于同一结构，随机风速显出了很近似的统计状态。为此，随机风速过程可被设定为这样的向量，用来精准表示。对于不同风压，它们有着彼此不等的滤波特性。

三.甲板起重机特有的响应状态

Ansys适宜有限元分析，属于一类软件。在近海工作中，选取了船体配有的甲板起重机，它被设定为调研对象，解析风振响应。起重机可分成双重的臂架、主副的液压缸、机器房及转台、支撑必备的滑轮及圆筒、起升平台配有的支撑杆。在这其中，转台滑轮及臂架、起升平台及圆筒，都选取了Shell这一类的单元。关于机器房，整合了Beam及Shell这样的单元板梁。起升平台搭配着成套的撑杆，衔接着液压缸。选取适当单元，创设了有限元模型。

选取的阶数

臂架振动频率（Hz）

臂架振型

1

1.79

主臂横向摆动

2

2.14

主臂沿着z轴摆动

3

3.61

起升平台沿着z轴摆动

4

3.96

副臂z轴摆动

5

4.51

机器房固有的立柱摆动

6

4.55

导向滑轮摆动

7

4.63

定向滑轮跳动

表为臂架频率

起重机被布设于近海的、开敞水域区段。依照设计规程，布设的起重机要吻合规范。对于工作水域，海上风力被测得五级，海水均温测定为23℃。在这片海域内，浪高超出了1.8米。对于起重机，解析了它特有的风载荷特性。调研数值如下：地表粗糙指数：0.0013；考量了粗糙状态测得的均衡风速：每秒19米；在风载荷下，结构共振情形下的响应被设定为最大响应。此外，还要算出构架自带的脉动频率。

对于金属构架，它自带的受风面积还是很大的；与此同时，整机各类体型搭配着的截面也有差异。在结构表层内，风压布设并不匀称。依照现有规范，可以算出垂直构架特有的表层风载荷。整机构架固有的重心可被设定为精准的风压高度，迎风面接受了风载荷。

结语：

对于船用范畴的甲板起重机，应当慎重设计。考量了风载荷，参照相关公式，有序整合了梁体单元、配套的板单元、船体弹簧单元。识别了风载荷，算出船用甲板之中的均衡载荷、脉动的风载荷，识别动态响应。这就供应了必备的理论参照，有着技术价值。

参考文献：

[1]孙建锐. 基于Ansys的船用甲板起重机结构风振响应研究[J]. 起重运输机械，2012（05）：15-18.

[2]张文福，谢丹，计静等. 乙烯生产塔架风振响应分析[J]. 空间结构，2012（03）：28-34.

[3]赵中伟，陈志华，王小盾等. 基于虚拟激励法的贝壳型单层网壳风振响应研究[J]. 空间结构，2015（02）：34-39.

[4]赵中伟，陈志华，王小盾等. 天津于家堡交通枢纽站房网壳风振响应分析[J]. 建筑结构，2014（19）：12-15+94.

[5]柯世堂，王同光，曹九发等. 考虑土-结相互作用大型风力发电结构风致响应分析[J]. 土木工程学报，2015（02）：18-25.

[6]程茂林，徐长生. 基于有限元分析法的折臂式船用甲板起重机垂直设计系数计算[J]. 船海工程，2010（01）：140-142+145.