摘 要

机械设备的设计需要考虑多方因素，其中，大型港口机械设备的防风问题历来被作为一个重要的研究的领域。港口机械设备具有体型较大，作业环境复杂等特点。特别是许多沿海地区的港口，大风台风时有发生，故而港机设备的防风研究尤为重要。

本次课题研究为箱型双柱结构的流固耦合风振特性分析，将选取箱型双柱结构作为研究对象，深入探究其在不同风速条件下的流固耦合特性。

对于一般机械构件的在风场中的力学性能研究往往需要将相关物体模型安置于风洞之中进行试验，以研究模型与气体流动的相互作用，这样往往带来较高的成本消耗，同时效率也较低，具体实施起来也十分困难。ANSYS软件是一种多用途的计算机仿真计算软件，有限元仿真试验和分析的，常常用于求解流体、电力、结构和碰撞等相关工程问题。由于采用计算机模拟试验的手段，可大幅降低试验成本，提高实验效率，现阶段应用十分广泛。

本次课题一系列试验中将使用ANSYS WORKBENCH 15.0仿真软件代替实际风洞，对箱型双柱结构进行流固耦合仿真实验，得出一系列风载荷、位移等实验数据。然后结合流体力学相关理论进行计算分析，分析箱型双柱结构在风场中流固耦合风振特性的一般规律，还将对结构的涡激共振现象进行相关探究。

关键词：ANSYS，流固耦合，有限元，箱型双柱

Abstract

The design of mechanical equipment needs to consider many factors, among which the windproof problem of large-scale port machinery and equipment has always been regarded as an important research field. Port machinery and equipment have characteristics such as large size and complicated operating environment. Therefore, windproof problem research for port machinery equipment is particularly important as typhoons occur frequently in many coastal ports.

In this study, the flow and solid coupling wind vibration characteristics of double-box-pillar structure will be analyzed. The double-box-pillar structure is selected as the research object, and the characteristics of the Fluid-Structure Interaction under different wind speed conditions are deeply explored.

For the study of the mechanical properties of general mechanical components in the wind field, it is often necessary to place the relevant object model in a wind tunnel for testing in order to study the interaction between the model and the air flow, which often leads to higher cost consumption and at the same time efficiency is also low, and it is very difficult to implement it. ANSYS software is a multi-purpose finite element simulation test and analysis computer software tool that is often used to solve structural, fluid, power, and collision related engineering problems. Due to the use of computer simulation tests, the test cost can be greatly reduced, and the experimental efficiency can be improved. It is widely used at this stage.

In this series of experiments, ANSYS WORKBENCH 15.0 simulation software will be used instead of the actual wind tunnel to perform Fluid-Structure Interaction simulation experiments on the double-box-pillar structure, and a series of experiments data about wind load and displacement will be get. Then combined with the theory of fluid mechanics, the general law of the coupling wind vibration characteristics of the double-box-pillar structure in the wind field is analyzed, and the vortex induced resonance phenomenon of the structure is also investigated.

Keywords: ANSYS ,Fluid-Structure Interaction, Finite Element，double-box-pillar structure

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状及发展趋势 1

1.3课题的目的和意义 2

1.3.1 课题的目的 2

1.3.2 课题的意义 2

1.4课题研究的基本内容和方法 4

1.4.1课题研究的基本内容 4

1.4.2课题研究的方法 4

第2章 课题研究理论基础 5

2.1 有限元理论基础 5

2.2 ANSYS软件基础 5

2.3 理论计算基础 7

2.3.1 风载荷计算 7

2.3.2 形变计算 7

2.3.3 挡风折减分析 8

第3章 试验模型及环境参数选定 9

3.1试验模型尺寸选定 9

3.2 流场尺寸选定 9

3.3试验相关参数选定 9

3.4 本章小结 10

第4章 模型的建立与初步分析 11

4.1 箱型双柱模型的建立 11

4.2 模态分析 13

第5章试验环境设置及初步运行 14

5.1流场相关设置 14

5.1.1流场面的命名和网格划分 14

5.1.2流场面的详细参数设置 15

5.2 本章小结 17

第6章 运行仿真试验及数据提取 18

6.1试验初步运行 18

6.2数据的提取 18

6.3 改变风速多次运行试验 21

第7章 理论计算及试验数据分析 22

7.1 风载荷与位移的理论计算及汇总 22

7.2涡激振动的分析 24

7.3本章小结 25

第8章 课题的经济性与环保性分析 26

第9章 结论与展望 27

6.1结论 27

6.2展望 27

致谢 28

参考文献 29

第1章 绪论

1.1研究背景

近年来随着改革开放我国物流行业取到了长足的进步，同时也带来了新的需求，大型港机设备在现代化港口生产中发挥着不可或缺的作用。由于港口机械设备结构较为高大，有着较大迎风面积，因此在台风和突发性阵风发生时容易遭受到风力的袭击，尤其是沿海地区，有着极端且多变气候的条件，设备防风问题更为重要。

这里举一个实际案例，2004年韩国南部登录的台风“鸣蝉”造成了巨大的损失导致了134万多户停电，多处的桥梁和道路也因此受损，1601栋住宅进水，5012公顷农田被淹。另有五座核电站运转也被迫停止，2128个通信基站遭破坏。

由此可见，港机的设计除了要满足运输量等要求外还要满足必要的抗风性能，对于的港机的防风研究就尤为重要，通常港口作业强风会使得大型港机设备的机构产生一定的振动，这种振动也许不会马上造成直接的后果，但却存在着巨大的安全隐患，持续的风振将对机械设备的稳定性能产生破坏，对生产安全带来意想不到的后果。 港机设备的风振效应需要借助流体力学的手段来进行研究。流固耦合力学是一门是流体力学与固体力学相互交叉而产生的一门力学的分支，它研究变形的固体在流场的作用下的各种行为。港机设备的迎风机构在流体的作用下会发生运动和形变。形变又将反过来影响流体的运动，这将改变流体载荷的分布与大小，各种各样复杂的流固耦合现象正是基于这种相互作用而产生。

值得注意的是，当耦合效应下，结构上的流体载荷力与固有频率相差很小的时候，流固耦合系统就会发生共振，将发生意想不到后果。一个典型的案例， 1941年11月美国塔科马海峡的吊桥发生了崩塌事故，从流固耦合力学来进行分析，大桥和风场构成一个流固耦合系统，风流场产生特殊卡门涡脱落现象，漩涡脱落频率和大桥的固有频率接近，所以产生了共振，最终使得大桥剧烈晃动崩塌。因而，流固耦合作用中的共振理所当然地成为一个值得关注的问题。

1.2国内外研究现状及发展趋势

对于流固耦合力学的研究，近些年来呈现快速发展的趋势。上世纪40年代，西方学者 Rice研究了结构动力响应和某一固定界限交叉问题，建立了关于在一定时间内交叉次数和期望值的表达式，这给随机过程的首次超越以及极值理论的深入研究开辟了新的途径。在这以后许多学者对首次超越的问题进行了大量的研究，但是对许多有实际应用意义的工程系统，仍然不能得到封闭形式解析解。随着计算机的快速发展以及快速傅立叶变换出现，随机振动分析计算的发展也加速发展。 同时动力可靠度在各个相关领域也得到广泛应用。很多学者对各种复杂系统在随机动荷载下的可靠度问题进行了深入研究，比如建筑结构在风荷载作用以及地震荷载作用下的动力可靠度分析等。