CN112661007B - 门式起重机箱梁抗风减载仿生结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构及其设计方法，门式起重机箱梁抗风减载仿生结构为贴附于门式起重机箱梁迎风面的粒突箱鲀鱼嘴仿生结构。该门式起重机箱梁抗风减载仿生结构的流线型弧面避免了箱梁迎风面腹板两侧的边界层分离，从而降低了由边界层分离带来的结构扰动，使箱梁结构在流场中的风致荷载波动幅值减轻，从而提高了起重机机构运行的平稳性；而且，在基本不改变起重机箱梁承载特性及运行方式的基础上，以贴附方式改箱梁的绕流特性，可以大幅降低箱梁的顺风向风荷载，风荷载降幅可达66.5％，从而减轻门式起重机大车运行负荷，节能减排。

Description

门式起重机箱梁抗风减载仿生结构及其设计方法

技术领域

本发明属于大型门式起重机设计及应用技术领域，涉及门式起重机箱梁抗风减载设计技术。

背景技术

风荷载是指空气流动对工程结构所产生的压力。由于风荷载占起重机大车运行电机负载的60％～70％，其中起重机主梁风荷载占整机风荷载的60％～80％。因此，风荷载是起重机运行及结构校核的主要荷载。而且，随着工业生产规模的不断扩大，生产效率和自动化水平的不断提高，起重机结构向高、大、细、长的方向不断发展。不论是在港口岸桥还是在内陆的集装箱货场，风荷载对于起重机结构的影响愈发的凸显。

门式起重机通常由主梁、刚性支腿及柔性支腿三大部分及端梁等附属结构组成，对于大吨位门式起重机，其主梁通常为串列双梁结构，柔性支腿较为细长，用以抵消结构形变产生的结构内力，刚性支腿较为粗壮。以中山基地2000t门式起重机为例，其结构形式如图1所示，主梁a1、主梁b2、上端梁a3和上端梁b7顺次衔接成串列双梁结构，柔性支腿a4、柔性支腿b5和下端梁a6顺次衔接安装于上端梁a3的下方，刚性支腿a8、刚性支腿b9和下端梁b11顺次衔接安装于上端梁b的下方，中横梁连接与刚性支腿a8和刚性支腿b9中部。从图1中可以看出，主梁截面尺寸较大，且横置于高位，因而风荷载受载工况更加的恶劣，门式起重机风荷载分布呈现“头重脚轻”的特点。对于此类大型门式起重机，主梁是结构中的最大迎风构件，其迎风面积占比超过整体结构的50％。

通过对国内外研究现状的分析发现，起重机结构风致效应特性的研究非常薄弱，研究多集中在塔式及岸桥起重机领域，对门式起重机风致效应的研究较少，而《起重机设计规范》中对于起重机风荷载的计算只有一个风力系数的简略描述。随着越来越多风毁事故的发生，起重机结构风特性的研究愈发迫切，但目前的研究多为单一的、不成体系的特例研究，没有全面而系统的研究揭示起重机风致效应特性。同时针对起重机结构的抗风减载设计还较为空白。

近年来，随着门式起重机结构的大型化、柔性化发展趋势，门式起重机结构的风致效应愈发的明显。因此，设计针对门式起重机主梁的抗风减载结构，对于有效降低门式起重机运行负载、降低能耗具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术中缺少门式起重机主梁防风减载结构的技术问题，本发明目的旨在提供一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，有效降低箱梁风阻力，减轻门式起重机大车运行负载，节能减排。

本发明的另一目的旨在提供上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，设计出合理的门式起重机箱梁贴附结构。

本发明的第三个目的旨在提供上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作方法。

为达到上述目的，本发明提供的一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，为贴附于门式起重机箱梁迎风面的鱼嘴流线仿生结构。由于起重机金属结构已经形成成熟且稳定的设计方法，对金属结构的改变很容易影响起重机箱梁的受载特性及使用安全性。因此本发明提出箱梁贴附结构，可以在基本不改变箱梁承载特性的前提下，实现起重机箱梁绕流外型的改变。进一步地，粒突箱鲀鱼为略呈正立方体的盒型结构，从前至后由鱼嘴、鱼体和鱼尾组成。粒突箱鲀鱼的盒型结构并不影响其游速，是由于鱼嘴处的流线型弧面改变了来流的绕流方式因而带来了低流阻特性。粒突箱鲀鱼的鱼体结构与起重机箱梁截面类似，由此本发明提出的箱梁贴附鱼嘴流线仿生结构优选为粒突箱鲀鱼嘴仿生结构。

上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，所述鱼嘴流线仿生结构由轻质材料一体成型得到。在起重机箱梁迎风面处贴附轻质材料的仿生结构，基本不会改变起重机箱梁的原有承载方式和受载特性，对起重机整机运行不会产生影响；而由于改变了起重机箱梁的绕流特性，可以大幅降低起重机主梁的结构风阻力。同时，该鱼嘴流线仿生贴附结构避免了迎风面腹板两侧的边界层分离，从而降低了由边界层分离带来的结构扰动，使起重机箱梁结构在流场中的风致荷载波动幅值减轻，提高了起重机机构运行的平稳性。轻质材料可采用有机高分子材料，如聚苯乙烯(泡沫Expanded Polystyrene，EPS)、聚乙烯泡沫(PE)等，这类材料具有质轻、廉价、使用寿命长、易加工、运输及安装方便等特点，同时该类材料具有良好的可变形性，在箱梁表面的附着时可以跟随箱梁变形，且不会影响箱梁工作，同时还可以起到降低箱梁腐蚀、降噪以及美化效果。轻质材料进一步优选为聚苯乙烯泡沫，EPS是一种轻质高分子聚合物，具有高疏水性、化学性质稳定、质轻等特点；该材料具有较高的机械强度及良好的可加工性，现已经广泛应用于土木工程、建筑等领域。

但当鱼嘴流线仿生结构由轻质材料(例如聚苯乙烯轻质泡沫等)一体成型得到时，泡沫等材料与迎风面的固接较为繁琐，且不够稳固。同时对于大跨度门式起重机主梁，贴附泡沫的重量也相应的变大，安装难度增大，且使用安全性较差。基于此，本发明进一步提供了另外一种鱼嘴流线仿生结构，所述鱼嘴流线仿生结构由具有鱼嘴流线仿生轮廓的刚性骨架组件以及贴附于刚性骨架上的膜层构成；所述刚性骨架组件包括沿箱梁长度方向的若干横向骨架和垂直于箱梁长度方向的若干鱼嘴形纵向骨架；若干纵向骨架沿箱梁长度方向顺次固定于箱梁迎风面；各个纵向骨架经横向骨架固定连接；这样首先在箱梁迎风面外敷刚性骨架，形成贴附形状的外形轮廓，然后在骨架上披覆膜层蒙皮，从而实现箱梁的减载设计；不仅安全性高、而且自重轻且施工难度小，具有更高的工程应用价值。

上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，由于门式起重机箱梁一般较长，为进一步降低结构风阻力，优选地，所述粒突箱鲀鱼嘴仿生结构沿平行于箱梁长度方向的截面为椭圆弧面；所述粒突箱鲀鱼嘴仿生结构沿垂直于箱梁长度方向的截面为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓；椭圆弧面的长轴为门式起重机箱梁长度，短轴为箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓在该椭圆弧面所在截面内偏离箱梁侧面的距离。椭圆弧面具有优异的低流阻特性，因此可进一步降低结构风阻力，减轻门式起重机大车运行负荷。

上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，通过对粒突箱鲀鱼嘴结构廓线的分析发现，所述粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓流线特征主要由自上至下的三段圆弧过渡面构成，根据三段圆弧过渡面，将粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓自上至下分为L₁-L₇七条线段。

上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，以门式起重机箱梁长度方向为Z方向，垂直于门式起重机箱梁长度方向的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓所在截面为X-Y平面，以箱梁高度D为设计变量，建立箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓模型，如下：

线段L₁为：

其中，

线段起止点的取值范围：

线段L₂为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₃为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₄为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₅为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₆为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₇为：

式中

线段起止点的取值范围为：

式中α₁＝R₁+R₂，β₁＝B₂-B₁，λ₁＝D₂-D₁，α₂＝R₂+R₃，β₂＝B₃-B₂，λ₂＝D₃-D₂，B₁＝0.1D，B₂＝0.45D，B₃＝0.6D，D₁＝0.3D，D₂＝0.4D，D₃＝0.7D，R₁＝0.25D，R₂＝0.05D，R₃＝0.06D；

根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓，对于截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓，满足以下关系：

式中，L为门式起重机箱梁的长度，X₁为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓X-Y截面的截面高度Y₁对应的坐标。

本发明还提供了一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，包括以下步骤：

S1选择门式起重机箱梁结构的仿生载体；

S2提取仿生载体轮廓；

S3分析并提取仿生载体的结构特征轮廓；

S4以门式起重机箱梁高度为设计变量，建立箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓模型以及X-Z截面仿生轮廓，得到门式起重机箱梁抗风减载仿生结构。

上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，所述仿生载体为粒突箱鲀；

步骤S2中，提取粒突箱鲀轮廓；

步骤S3中，分析得到所述粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓流线特征主要由自上至下的三段圆弧过渡面构成，根据三段圆弧过渡面，将粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓自上至下分为七条线段；

步骤S4中，根据七条线段，建立箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓模型，再根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓，得到截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓。

上述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，以门式起重机箱梁长度方向为Z方向，垂直于门式起重机箱梁长度方向的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓所在截面为X-Y平面，以箱梁高度D为设计变量，按照前面式(1)-(7)建立箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓模型。再根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓，按照式(8)得到截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓。

针对两种不同的鱼嘴流线仿生结构构成，本发明分别提供了相应的本发明还提供了门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作方法。

当鱼嘴流线仿生结构由轻质材料一体成型时，所述抗风减载仿生结构制作方法包括以下步骤：

第一步，获取门式起重机箱梁结构参数，包括箱梁长度和箱梁高度；

第二步，根据前述设计方法得到仿生载体的轮廓模型；

第三步，以轻质材料为基材，按照得到的仿生载体的轮廓模型加工成型得到仿生结构贴附材料；

第四步，将加工成型的仿生结构贴附材料固接于门式起重机箱梁迎风面腹板即可。

当鱼嘴流线仿生结构鱼嘴流线仿生结构由具有鱼嘴流线仿生轮廓的刚性骨架组件以及贴附于刚性骨架组件上的膜层构成时，所述抗风减载仿生结构制作方法包括以下步骤：

第一步，获取门式起重机箱梁结构参数，包括箱梁长度和箱梁高度；

第二步，获取鱼嘴流线仿生结构；

第三步，按照得到的鱼嘴流线仿生结构的轮廓模型，制作横向骨架和纵向骨架，并利用横向骨架和纵向骨架组装成刚性骨架；

第四步，将刚性骨架按照设计位置焊接固定于箱梁迎风面；

第五步，利用螺栓将膜层与纵向骨架固定即可。

与现有技术相比，本发明具有如下十分突出的优点和有益技术效果：

1、本发明提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，为贴附于门式起重机箱梁迎风面的粒突箱鲀鱼嘴仿生结构，该仿生结构的流线型弧面避免了箱梁迎风面腹板两侧的边界层分离，从而降低了由边界层分离带来的结构扰动，使箱梁结构在流场中的风致荷载波动幅值减轻，从而提高了起重机机构运行的平稳性。

2、本发明提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，在基本不改变起重机箱梁承载特性及运行方式的基础上，以贴附方式改变箱梁的绕流特性，可以大幅降低箱梁的结构风阻力(即顺风向风荷载)，经CFD仿真分析后测算，风阻力(即风荷载)降幅可达66.5％，从而减轻门式起重机大车运行负荷，节能减排。

3、本发明提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，以粒突箱鲀为仿生载体，分析并提取仿生载体的结构特征轮廓，再以门式起重机箱梁高度为设计变量，建立仿生廓线的数学模型，设计步骤简单易操作，通过调整仿生廓线各个参数的取值，改变仿生廓线形状，即可实现实际箱梁仿生结构的合理设计。

4、本发明提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作方法，基于本发明提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，加工获得所需仿生结构，再贴附于箱梁迎风面腹板即可，材料来源广、制作工艺简单、成本低，适于在本领域内推广。

5、本发明以轻质材料为基材加工获得的鱼嘴流线仿生结构，具有良好的可变形性，在箱梁表面的附着时可以跟随箱梁变形，同时还可以起到降低腹板腐蚀、降噪以及美化效果；且其质轻基本不会改变起重机箱梁的原有承载方式和受载特性，对起重机整机运行不会产生影响。

6、本发明基于刚性骨架和膜层加工获得的鱼嘴流线仿生结构，具有跨度大、自重轻、稳固性好、安全性高等优势，且安装方便，能降低施工难度，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为门式起重机结构示意图；图中，1-主梁a，2-主梁b，3-上端梁a，4-柔性支腿a，5-柔性支腿b，6-下端梁a，7-上端梁b，8-刚性支腿a，9-刚性支腿b，10-中横梁，11-下端梁b；

图2为矩形箱梁结构示意图；图中，12-上翼缘板，13-下翼缘板，14-左腹板，15-右腹板，16-小车轨道，17-耳板，18-横隔板，19-加筋肋；

图3为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构贴附于箱梁上的原理示意图；其中，(a)对应矩形箱梁，(b)对应梯型箱梁；图中，20，20′-箱梁，21，21′-粒突箱鲀鱼嘴仿生结构；

图4为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构贴附于箱梁上的立体示意图；图中，23-X-Z截面仿生轮廓；

图5为图4的右视图；

图6为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构贴附于箱梁上的俯视图；图中，22-X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓仿生轮廓；

图7为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计流程图，其中，(a)为粒突箱鲀侧视图，(b)为粒突箱鲀轮廓提取，(c)为粒突箱鲀轮廓线特征，(d)为提取的特征廓线，(e)为设置的仿生轮廓模型参数；

图8为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构气动力系数仿真分析图；

图9为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构流场仿真分析图；

图10为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构另一种实现方式立体图之一；图中，24-横向骨架，25-纵向骨架，26-膜层；

图11为本发明门式起重机箱梁抗风减载仿生结构另一种实现方式立体图之二。

具体实施方式

以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本领域中，门式起重机主梁一般采用矩形或梯形截面的箱梁结构。图2给出了一种40t集装箱门式起重机箱梁结构。该门式起重机箱梁主要由上翼缘板12、下翼缘板13、左腹板14和右腹板15构成箱梁主体，箱梁主体内部设有横隔板18及若干纵向加筋肋19以增强主梁的局部稳定性；上翼缘板12顶部设有小车轨道16，小车轨道多位于箱梁主腹板上(偏轨)或箱梁中部(正轨)以使得箱梁整体承载稳定；当小车轨道位于箱梁主腹板(图2中为右腹板15)上时，其对应位置上翼缘板下方设置有吊装用耳板17。

箱梁外侧腹板(即左腹板14)正对来流方向，为起重机迎风侧，外侧腹板外一般不设置功能性机构，而箱梁内侧为起重机起升机构工作空间，起升吊具及钢丝绳等机构在该侧运行。同时，由于起重机金属结构已经形成成熟且稳定的设计方法，对金属结构的改变很容易影响起重机箱梁的受载特性及使用安全性。因此本实施例提出箱梁贴附结构，是通过在箱梁迎风面贴附轻质材料构成的仿生结构，可以在基本不改变主梁承载特性的前提下，实现起重机箱梁绕流外型的改变。

粒突箱鲀俗称盒子鱼，前面已经指出，其盒型结构并不影响其游速。本实施例中，提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构如图3所示，为贴附于门式起重机箱梁20迎风面的粒突箱鲀鱼嘴仿生结构21。本实施例中利用轻质材料制作成粒突箱鲀鱼嘴仿生流线结构，这样基本不会改变起重机箱梁的原有承载方式和受载特性，对起重机整机运行不会产生影响。轻质材料可采用有机高分子材料诸如聚苯乙烯泡沫(EPS)等，这类材料具有质轻、廉价、使用寿命长、易加工、运输及安装方便等特点，同时该类材料具有良好的可变形性，在箱梁表面的附着时可以跟随箱梁变形，不容易脱落且不会影响箱梁工作，同时还可以起到降低腹板腐蚀、降噪以及美化效果。

值得说明的是，本实施例所提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，在箱梁表面的附着时可以跟随箱梁变形，如图3所示，如矩形梁、梯形梁等都可适用。仿生结构的迎风轮廓并不改变，贴附面根据箱梁具体结构设计即可。

实施例2

以门式起重机箱梁宽度方向为X，高度方向为Y，箱梁纵向长度方向为Z方向。在不考虑Z方向变化情况下，以起重机箱梁高度为设计变量，通过对鱼粒突箱鲀嘴轮廓进行拟合得到X-Y截面的数学模型，进而在箱梁的迎风面构建粒突箱鲀鱼嘴仿生结构模型，得到仿生轮廓。

然而由于门式起重机箱梁一般较长，在不考虑Z方向变化情况下，单纯采用拟合仿生粒突箱鲀鱼嘴生成的轮廓难以达到更佳的效果。

如图4-图6所示，本实施例中，粒突箱鲀鱼嘴仿生结构3沿垂直于箱梁长度方向的截面为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓；粒突箱鲀鱼嘴仿生结构3沿平行于箱梁1长度方向的截面为椭圆弧面，这样能够获得较为优异的低硫阻特性；本实施例中采用的是半椭圆设计，椭圆弧面的长轴为门式起重机箱梁长度，短轴为箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓在该椭圆弧面所在截面内偏离箱梁侧面的距离。

基于上述分析，本实施例提供了一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，如图7所示，具体包括以下步骤：

S1选择门式起重机箱梁结构的仿生载体

本实施例以粒突箱鲀为门式起重机箱梁结构的仿生载体，并以长方体部分作为鱼体，将提取的粒突箱鲀轮廓分为鱼嘴、鱼体和鱼尾三部分，如图7(a)所示。

S2提取粒突箱鲀轮廓

通过对粒突箱鲀侧式结构图像的噪点处理、灰度转换以及边缘提取，获得粒突箱鲀结构廓线的离散数据，如图7(b)所示。噪点处理、灰度转换及边缘等操作采用的是本领域的常规手段，可以参见罗文婷，李中轶，李林，等.基于改进Canny算法的道路标线自动识别及定位[J].西南交通大学学报，2018，53(6)：1253-1260。

S3分析并提取仿生载体的结构特征轮廓

以长方体部分作为鱼体，将提取的粒突箱鲀轮廓分为鱼嘴、鱼体和鱼尾三部分。如图7(c)所示，对其鱼嘴结构进行特征分析，发现其流线特征主要由自上至下的三段圆弧过渡面构成，三段圆弧半径及其与鱼体间的相对位置参数是鱼嘴结构仿生的重点。

提取粒突箱鲀鱼嘴部分，并将其放大至鱼嘴高度与箱梁高度一致。然后根据三段圆弧过渡面，以鱼嘴轮廓与圆弧过渡面相切点为边界点，将粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓自上至下分为七条线段，如图7(d)所示。

S4以门式起重机箱梁高度为设计变量，建立箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓22以及X-Z截面仿生轮廓23，得到门式起重机箱梁抗风减载仿生结构。

根据七条线段，建立箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓模型，再根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓，得到截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓。

具体地，根据七条线段，设置好鱼嘴轮廓的相应特征参数，以门式起重机箱梁长度方向为Z方向，垂直于门式起重机箱梁长度方向的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓所在截面为X-Y平面，以箱梁高度D为设计变量，建立箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓模型，如下：

线段L₁为：

其中，

线段起止点的取值范围：

线段L₂为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₃为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₄为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₅为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₆为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₇为：

式中

线段起止点的取值范围为：

式中α₁＝R₁+R₂，β₁＝B₂-B₁，λ₁＝D₂-D₁，α₂＝R₂+R₃，β₂＝B₃-B₂，λ₂＝D₃-D₂，B₁＝0.1D，B₂＝0.45D，B₃＝0.6D，D₁＝0.3D，D₂＝0.4D，D₃＝0.7D，R₁＝0.25D，R₂＝0.05D，R₃＝0.06D。

根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓模型，对于截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓，满足以下关系：

式中，L为门式起重机箱梁的长度，X₁为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓X-Y截面的截面高度Y₁对应的坐标。

由此，依据建立的箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓22和X-Z截面仿生轮廓23，便得到门式起重机箱梁抗风减载仿生结构。

在实际使用时，可以根据三维仿生轮廓，利用轻质材料制造相应结构的贴附构件，并附着在门式起重机箱梁迎风面。

实施例3

以实施例1提供的40t集装箱门式起重机为例，本实施例提供了实施例2提供的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作方法，包括以下步骤：

第一步，获取门式起重机箱梁结构参数，包括箱梁长度和箱梁高度；本实施例中，箱梁高度D为2m，箱梁长度L为40m。

第二步，根据实施例2中的设计方法得到仿生载体(即粒突箱鲀鱼嘴仿生结构)的轮廓模型。

第三步，以聚苯乙烯泡沫为基材，按照得到的仿生载体(即粒突箱鲀鱼嘴仿生结构)的轮廓模型加工成型得到仿生结构贴附材料；

第四步，将加工成型的仿生结构贴附材料固接于门式起重机箱梁迎风面腹板即可完成门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作与安装。

由于起重机结构具有较低的雷诺相关性，为便于仿真结果与相关实验数据进行比对以确定仿真结果的准确性及可靠性，以下对实施例3所制作的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构的高度缩小为单位长度1m(缩小一倍)后的减载效果进行仿真分析：

(一)三分力分析

基于流体风速U₀＝10m/s，运用CFD仿真软件对该门式起重机箱梁抗风减载仿生结构的减载效果进行评估分析，结果如图8所示。阻力系数(Cd)可以衡量结构在流场中所受的风阻力大小，贴附门式起重机箱梁抗风减载仿生结构的箱梁阻力系数与传统未采用贴附结构的箱梁相比，风阻力降幅为66.5％。同时贴附箱梁的阻力系数(Cd)、升力系数(Cl)及扭矩系数(Cm)的波动值也大幅度降低，说明该门式起重机箱梁抗风减载仿生结构使得箱梁在流场中受到的气动力波动较小，机构运行平稳性增加。

(二)流场分析

对比贴附门式起重机箱梁抗风减载仿生结构的箱梁与传统未采用贴附结构的箱梁在流场中的流线图如图9所示。从图中可以发现：门式起重机箱梁抗风减载仿生结构通过拟合粒突箱鲀的鱼嘴流线特征，改变了传统箱梁尖角钝体的绕流特征，使来流沿仿生结构表面的方式绕过箱梁，降低了由于边界层分离所产生的结构阻力，以及分离流所产生的流体扰动。

从上述气动力和流场分析可知，该门式起重机箱梁抗风减载仿生结构能够大幅降低起重机箱梁顺风向荷载及风阻，降低起重机大车运行能耗，同时减轻结构的风致荷载，提高机构运行的平稳性。

将实施例3的制作方法应用于图2给出的40t集装箱门式起重机上，其减载效果如下：

该门式起重机箱梁抗风减载仿生结构以聚苯乙烯泡沫为基材，工程用EPS密度约为20kg/m3(密度与材料的发泡程度有关，该处为30倍)，通过有限元仿真得到其抗压强度σ_c≈145kPa、弹性模量E＝6.629MPa，而起重机工作时风压小于800Pa(暴风工况)，此时EPS材料几乎不产生较大形变，因此该类材料可以充分满足使用要求。

由于起重机箱梁结构属于雷诺相关性比较低的结构，因此，结构的阻力系数基本不受箱梁结构和风速的影响，根据前面仿真得到的阻力系数，结合阻力系数计算公式

以及《起重机设计规范》中的相关规定(式中ρ为空气密度，取值1.225Kg/m³；U为风速，按《起重机设计规范》中工作状态风速，取值为20m/s)，可以得到贴附门式起重机箱梁抗风减载仿生结构的箱梁减载评估结果，如表1所示。由表可知，采用EPS材料贴附的仿生箱梁虽然使传统箱梁的重量增加了4.87％，但箱梁风荷载却降低了66.5％，使得起重机大车运行机构负载降低46.74％，仿生设计方法可以大幅降低起重机大车运行电机的负载，实现机构运行节能降耗。

表1仿生箱梁减载评估

此外，由于门式起重机结构的特殊布置形式(主梁作为主要承载及挡风构件，采用高位横置)，使得起重机所受风荷载呈现“头重脚轻”的特性，针对主梁的减载设计，可以大幅降低门式起重机的倾覆力矩，提高起重机的整体稳定性。

实施例4

如图10-图11所示，本实施例进一步提供了另外一种鱼嘴流线仿生结构实现方式，其由具有鱼嘴流线仿生轮廓的刚性骨架组件以及贴附于刚性骨架组件上的膜层26构成。刚性骨架组件包括沿箱梁长度方向的若干横向骨架24和垂直于箱梁长度方向的若干鱼嘴形纵向骨架25。若干纵向骨架沿箱梁长度方向顺次固定于箱梁迎风面；各个纵向骨架经横向骨架固定连接。

本实施例中鱼嘴流线仿生结构设计方法与实施例2中的相同，这里不再赘述。

当得到鱼嘴流线仿生结构箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓模型(即箱梁跨中位置的纵向骨架尺寸)之后，可以根据实际情况，在相应X-Y截面仿生轮廓模型上选择若干截面高度Y₁，再根据公式(8)，便可得到相应截面高度的X-Z截面仿生轮廓模型(即若干横向骨架尺寸)。对于任一横向骨架，根据非箱梁跨中位置的纵向骨架设计位置，结合公式(8)可以得到其偏离Y轴的距离，得到该设计位置纵向骨架相对于箱梁跨中位置纵向骨架的缩小比例，进而得到该设计位置纵向骨架的结构尺寸。依次类推，便可得到满足所需要求的若干横向骨架和若干纵向骨架。

值得注意的是，为了使仿生结构起到更好的抗风减载的效果，对于粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓上弧形部位，可以将相应位置的横向骨架截面加工成与该弧形部分匹配的结构，如图10及图11所示。而其他位置的横向骨架可以加工成简单的椭圆弧形杆件，以便于降低加工成本及加工难度。

实施例5

以实施例1提供的40t集装箱门式起重机为例，本实施例进一步提供了实施例4中门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作方法，包括以下步骤：

第一步，获取门式起重机箱梁结构参数，包括箱梁长度和箱梁高度；本实施例中，箱梁高度D为2m，箱梁长度L为40m。

第二步，根据实施例4中的设计方法得到仿生载体(即粒突箱鲀鱼嘴仿生结构)的轮廓模型。

第三步，以钢制材料为基材，按照得到的仿生载体(即粒突箱鲀鱼嘴仿生结构)的轮廓模型加工纵向骨架和横向骨架。为了便于对仿生结构重量计算，本实施例中骨架选用5×50mm扁钢；在实际应用中，可以根据实际情况选择不同标准的钢制材料。复核纵向骨架和横向骨架的各个尺寸，确认无误后，可将纵向骨架与横向骨架焊接在一起。同时对检验膜层材料(本实施例中选用的是PTFE膜(VEIK公司M602))进行复核。

第四步，根据安装现场条件及施工计划搭建膜层材料安装防护设施。安装过程尽量选用微风天气，过程中密切注意风向和风速，避免膜层材料受损。然后，将刚性骨架按照设计位置焊接在箱梁迎风面腹板、上翼缘板和下翼缘板处。

第五步，利用螺栓将膜层与纵向骨架按照自上至下的顺序进行固定(如图10和图11所示)，即可完成门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作与安装。

与实施例3中利用聚苯乙烯泡沫制作的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构相比，本实施例制作的门式起重机箱梁抗风减载仿生结构重量为：

膜层重量，膜层材料选用PTFE膜(VEIK公司M602)，成品克重为900g/m²，该算例中的膜结构面积为123.832m²，因此膜结构重为111.45kg；

刚性骨架组件重量，横向骨架和纵向骨架选用5×50mm扁钢，刚性骨架组件使用总长为122.308m，钢质骨架总重为240.03kg；

加上膜层安装时所用的附属材料，仿生结构总重小于400kg。

而实施例3中用于制作仿生结构的聚苯乙烯泡沫贴附材料的重量为1333kg，通过对比可以发现，采用本实施例提供的刚性骨架与膜层结合的仿生结构方式实现箱梁的减载设计可以大幅度降低贴附结构自重。

本发明所提出的基于粒突箱鲀鱼嘴结构特征的仿生廓线形状所包含的三个特征圆弧及过渡结构廓线可通过调整各个参数的取值，但基于三个特征圆弧改变流场绕流特性的方案实现机理并未改变，因而应属于本技术方案的保护范畴。

Claims (4)

1.一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，其特征在于，为贴附于门式起重机箱梁迎风面的鱼嘴流线仿生结构，所述鱼嘴流线仿生结构为粒突箱鲀鱼嘴仿生结构，所述粒突箱鲀鱼嘴仿生结构沿平行于箱梁长度方向的截面为椭圆弧面；所述粒突箱鲀鱼嘴仿生结构沿垂直于箱梁长度方向的截面为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓；椭圆弧面的长轴为门式起重机箱梁长度，短轴为箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓在该椭圆弧面所在截面内偏离箱梁侧面的距离；

所述粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓流线特征主要由自上至下的三段圆弧过渡面构成，根据三段圆弧过渡面，将粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线自上至下分为七条线段；

以门式起重机箱梁长度方向为Z方向，垂直于门式起重机箱梁长度方向的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线所在截面为X-Y平面，以箱梁高度D为设计变量，建立箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线模型，如下：

线段L₁为：

x²+[y-(D-r₁)]²＝r₁ ² (1)；

其中，

线段起止点的取值范围：

线段L₂为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₃为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₄为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₅为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₆为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₇为：

式中

线段起止点的取值范围为：

式中α₁＝R₁+R₂，β₁＝B₂-B₁，λ₁＝D₂-D₁，α₂＝R₂+R₃，β₂＝B₃-B₂，λ₂＝D₃-D₂，B₁＝0.1D，B₂＝0.45D，B₃＝0.6D，D₁＝0.3D，D₂＝0.4D，D₃＝0.7D，R₁＝0.25D，R₂＝0.05D，R₃＝0.06D；

根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线，对于截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓线，满足以下关系：

式中，L为门式起重机箱梁的长度，X₁为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线X-Y截面的截面高度Y₁对应的坐标。

2.根据权利要求1所述门式起重机箱梁抗风减载仿生结构，其特征在于，所述鱼嘴流线仿生结构由轻质材料一体成型得到；

或者，所述鱼嘴流线仿生结构由具有鱼嘴流线仿生轮廓的刚性骨架组件以及贴附于刚性骨架组件上的膜层构成；所述刚性骨架组件包括沿箱梁长度方向的若干横向骨架和垂直于箱梁长度方向的若干鱼嘴形纵向骨架；若干纵向骨架沿箱梁长度方向顺次固定于箱梁迎风面；各个纵向骨架经横向骨架固定连接。

3.一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1选择门式起重机箱梁结构的仿生载体；

S2提取仿生载体轮廓线；

S3分析并提取仿生载体的结构特征轮廓线；

S4以门式起重机箱梁高度为设计变量，建立箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓线模型以及X-Z截面仿生轮廓，得到门式起重机箱梁抗风减载仿生结构；

所述仿生载体为粒突箱鲀；

步骤S2中，提取粒突箱鲀轮廓线；

步骤S3中，分析得到所述粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓流线特征主要由自上至下的三段圆弧过渡面构成，根据三段圆弧过渡面，将粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线自上至下分为七条线段；

步骤S4中，根据七条线段，建立箱梁跨中位置的仿生载体X-Y截面仿生轮廓线模型，再根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线，得到截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓线；

以门式起重机箱梁长度方向为Z方向，垂直于门式起重机箱梁长度方向的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线所在截面为X-Y平面，以箱梁高度D为设计变量，建立箱梁跨中位置的粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线模型，如下：

线段L₁为：

x²+[y-(D-r₁)]²＝r₁ ² (1)；

其中，

线段起止点的取值范围：

线段L₂为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₃为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₄为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₅为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₆为：

线段起止点的取值范围为：

线段L₇为：

式中

线段起止点的取值范围为：

式中α₁＝R₁+R₂，β₁＝B₂-B₁，λ₁＝D₂-D₁，α₂＝R₂+R₃，β₂＝B₃-B₂，λ₂＝D₃-D₂，B₁＝0.1D，B₂＝0.45D，B₃＝0.6D，D₁＝0.3D，D₂＝0.4D，D₃＝0.7D，R₁＝0.25D，R₂＝0.05D，R₃＝0.06D；

根据得到箱梁跨中位置的X-Y截面粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线，对于截面高度为Y₁的X-Z截面仿生轮廓线，满足以下关系：

式中，L为门式起重机箱梁的长度，X₁为粒突箱鲀鱼嘴仿生轮廓线X-Y截面的截面高度Y₁对应的坐标。

4.一种门式起重机箱梁抗风减载仿生结构制作方法，其特征在于

当鱼嘴流线仿生结构由轻质材料一体成型时，所述抗风减载仿生结构制作方法包括以下步骤：

第一步，获取门式起重机箱梁结构参数，包括箱梁长度和箱梁高度；

第二步，根据权利要求3所述设计方法得到仿生载体的轮廓线模型；

第三步，以轻质材料为基材，按照得到的仿生载体的轮廓线模型加工成型得到仿生结构贴附材料；

第四步，将加工成型的仿生结构贴附材料固接于门式起重机箱梁迎风面腹板即可；

当鱼嘴流线仿生结构鱼嘴流线仿生结构由具有鱼嘴流线仿生轮廓的刚性骨架组件以及贴附于刚性骨架组件上的膜层构成时，所述抗风减载仿生结构制作方法包括以下步骤：

第一步，获取门式起重机箱梁结构参数，包括箱梁长度和箱梁高度；

第二步，获取鱼嘴流线仿生结构；

第三步，按照得到的鱼嘴流线仿生结构的轮廓线模型，制作横向骨架和纵向骨架，并利用横向骨架和纵向骨架组装成刚性骨架；

第四步，将刚性骨架按照设计位置焊接固定于箱梁迎风面；

第五步，利用螺栓将膜层与纵向骨架固定，即可得到门式起重机箱梁抗风减载仿生装置。

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