本发明属于箱型梁门式起重机设计及应用，尤其涉及一种仿尖尾雨燕的箱型梁门式起重机抗风减载结构及其设计方法。
背景技术：
1、风作为自然灾害的因素之一，在工业工程领域所造成的损失往往不计其数。且随着工业的发展需求，箱型梁门式起重机的箱梁结构逐渐趋于细长化。一方面是为了减轻起重机自重从而达到提高工作效率和降低能耗的目的；另一方面细长化的箱梁结构可以通过材料优化设计和结构加固提高起重机的整体强度和刚性。但大型的箱型梁门式起重机多用于沿河沿海港口等空旷地带，容易受到强风等恶劣环境的影响。且起重机箱梁作为主要挡风构件，在大风环境下会受到持续的倾覆力，导致构件局部疲劳受损，产生滑移甚至倾覆。
2、箱型梁门式起重机通常由主梁、上下端梁、支腿以及其他附属结构组成。主梁是箱型梁门式起重机的主要承载结构，通常为串列双梁结构，组成材料一般采用高强度低合金钢，如q390b。主梁的结构形式通常为箱型，其截面形式可根据工作条件选取，常见形式有矩形、u型等。以某40t箱型梁门式起重机为例，其结构如图1所示，主梁1、主梁2和上端梁3、上端梁4通过串接的方式连接，柔性支腿5和下端梁6衔接安装于上端梁3的下方，刚性支腿7和下端梁8衔接安装在上端梁4的下方。从图1可以看出，主梁截面尺寸较大，为起重机的主要挡风构件，其迎风面积相较于整体结构占比超过50％。
3、通过分析发现，国内外在起重机风工程领域的研究甚少，且主要针对的是岸桥和塔式起重机的风致效应研究，在箱型梁门式起重机风致效应研究上较为薄弱。同时，对于起重机的风荷载研究也都依托于《起重机设计规范》中风力系数的简要描述。在风毁事故不断频发的今天，对于起重机在风场中的运行稳定性研究愈发迫切，但目前尚未形成全面而系统的研究用以揭示起重机的风载特性，且在起重机的抗风减载设计上未能达到很好的成效。
4、随着工业发展的需求，箱型梁门式起重机的箱梁结构逐渐趋于细长化，这是的箱型梁门式起重对风荷载的响应愈发明显。因此，针对箱型梁门式起重机的抗风减载结构设计对提升其运行稳定性具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是针对上述箱型梁门式起重机在抗风减载领域的不足，其目的旨在提供一种适用于箱型梁门式起重机的仿生减载结构，大幅降低起重机箱梁受到的风载荷，提升箱型梁门式起重机的运行稳定性。
2、本发明的另以目的旨在提供一种用于上述箱型梁门式起重机的仿生减载结构的设计方法。
3、本发明的技术方案为：一种仿尖尾雨燕的箱型梁门式起重机抗风减载结构及其设计方法，包括以下步骤：
4、上述适用于箱型梁门式起重机的仿生减载结构，所述尖尾雨燕头部外形仿生结构由轻质材料一体成型得到。优先的，针对外侧迎风面腹板所受风载荷，在不改变起重机行箱梁承载特性和运行稳定性的基础上，本发明提出在外侧腹板上贴附具有低流阻外形的轻质材料的减载方案。对于贴附材料的选取，在工业工程领域通常将新型高聚合泡沫作为轻质材料应用于结构设计中，这类材料一般具有重量轻、强度高等特性，用作箱梁的贴附结构不会影响其承载特性。优先的，贴附材料可选取聚氨酯泡沫(polyurethane foam)，聚氨酯泡沫作为常见的聚合物泡沫材料，密度约为30kg/m3，具有重量轻、强度高、耐磨性强、易加工等优良特性。同时相较于聚苯乙烯等其他泡沫材料，聚氨酯泡沫还有极佳的耐候性，适用于在户外长期使用的场景，不易老化，充分满足起重机的露天工作条件。
5、上述的箱型梁门式起重机仿生减载结构，通过贴附固接的方式固定在箱型梁门式起重机箱梁的迎风面。优先的，所述的尖尾雨燕仿生结构，其长轴对应箱型梁门式起重机箱梁迎风面的长，短轴为箱梁迎风面的高度，沿垂直于箱梁长度方向的截面为尖尾雨燕头部外形仿生轮廓。
6、上述尖尾雨燕头部外形仿生轮廓特征主要由尖尾雨燕头部外形特征廓线构成，所述尖尾雨燕头部外形特征廓线主要通过运用边缘检测的方法提取尖尾雨燕头部外形，再对所述尖尾雨燕头部外形进行曲线拟合得到，拟合方程如下：
7、
8、其中，
9、a1＝38.9,a2＝-14.59,a3＝-4.06,a4＝5.26,a5＝-1.87,a6＝0.34,a7＝-0.034,
10、a8＝0.0018,a9＝-4.04e-5
11、本发明还涉及一种箱型梁门式起重机的仿生减载结构的设计方法，包括以下步骤：
12、step1：选择箱型梁门式起重机箱梁结构的仿生载体；
13、step2：采用生物特征提取技术，运用边缘检测的方法提取仿生载体外形轮廓；
14、step3：对提取出的仿生载体外形轮廓进行分析和拟合，得到仿生载体特征廓线的数学模型；
15、step4：建立符合箱型梁门式起重机结构的仿生减载结构模型；
16、所述仿生载体为尖尾雨燕；
17、step2中，采用生物特征提取技术，在专业操作平台adobe illustrator上对尖尾雨燕的图像进行边缘检测，提取尖尾雨燕外形轮廓；
18、step3中，对提取出的尖尾雨燕外形轮廓进行分析和拟合，得到所述尖尾雨燕头部外形特征廓线数学模型，具体的，尖尾雨燕头部外形廓形的拟合方程如下：
19、
20、其中，
21、a1＝38.9,a2＝-14.59,a3＝-4.06,a4＝5.26,a5＝-1.87,a6＝0.34,a7＝-0.034,
22、a8＝0.0018,a9＝-4.04e-5
23、step4中，根据尖尾雨燕头部外形特征轮廓线，建立以箱型梁门式起重机箱梁长度为仿生载体长轴，箱梁迎风面的高度为仿生载体短轴，垂直于箱梁长度方向的截面为仿生载体轮廓的仿生廓线模型。
24、使用轻质材料作为尖尾雨燕仿生贴附结构的材料，所述抗风减载结构制作方法包括以下步骤：
25、step1：获得箱型梁门式起重箱梁的结构尺寸，包括迎风面箱梁的长度和高度；
26、step2：根据前述的设计方法得到仿生载体的仿生廓线模型；
27、step3：将轻质材料按照仿生廓线模型一体加工成型得到仿生贴附结构；
28、step4：将加工得到的仿生贴附结构固定在箱型梁门式起重机箱梁迎风面腹板处即可。
29、本发明的有益效果在于：
30、1、本发明提供的仿尖尾雨燕的箱型梁门式起重机抗风减载结构，采用聚氨酯泡沫(puf)材料作为仿生贴附结构的材料时，经cfd仿真分析后测算，可以使起重机箱梁受到的风载荷降低65％，同时不会改变起重机的承载特性。此外，仿生贴附结构削弱了箱梁上下翼缘板处的边界层分离，减小了涡旋的产生并缩窄了尾流，减小了前后压差，从而使箱梁在风流场中受到的阻力大幅降低。
31、2、本发明提供的仿尖尾雨燕的箱型梁门式起重机抗风减载结构，可以使贴附仿生结构后的起重机箱梁的气动力振荡幅值大幅降低。贴附结构的流线外形消除了连接处的棱角，避免了迎风面处边界层分离带来的流场扰动，使得箱梁受风致振荡的影响减弱，提升了起重机运行的平稳性以及其在风场中的抗倾覆能力。
32、3、本发明提供的箱型梁门式起重机的仿生减载结构的设计方法，运用边缘检测的方法提取尖尾雨燕头部外形廓线，对所述尖尾雨燕头部外形廓线进行曲线拟合，获得贴合箱梁迎风面的仿生设计数学模型，操作简易且适用范围广，可通过此设计方法设计出合理的用于贴附起重机箱梁的外形轮廓。
33、4、本发明提供的使用轻质材料作为仿生贴附结构材料的制作方法，基于上述的箱型梁门式起重机抗风减载结构的设计方法加工制得，制作成本低廉，工艺流程简便，施工难度低，所使用的轻质材料来源广泛，耐候性强，使用寿命持久，且不会影响起重机的承载特性以及运行工作。
1.一种仿尖尾雨燕箱型梁门式起重机抗风减载结构，其特征在于：为贴附于箱型梁门式起重机箱梁迎风面的鸟类头部外形的仿生结构，所述鸟类头部外形的仿生结构为尖尾雨燕头部外形仿生结构，所述尖尾雨燕仿生结构沿垂直于箱梁长度方向的截面为尖尾雨燕头部外形仿生轮廓；仿生结构的长轴为门式起重机箱梁长度,短轴为尖尾雨燕头部外形仿生轮廓在距离箱梁侧面的高度；
2.根据权利要求1所述一种仿尖尾雨燕箱型梁门式起重抗风减载结构，其特征在于，所述尖尾雨燕头部外形仿生结构由轻质材料一体成型得到。
3.一种仿尖尾雨燕的箱型梁门式起重机抗风减载结构设计方法,其特征在于,包括以下步骤：
4.一种仿尖尾雨燕箱型梁门式起重机抗风减载结构制作方法，其特征在于，使用轻质材料作为尖尾雨燕仿生贴附结构的材料，所述抗风减载结构制作方法包括以下步骤：
