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1) 研究背景
穿梭机在现实生活中主要用于自动化物流运输等，其产品结构包括主体、驱动装置、电池、传感器、电磁轨道等部分。穿梭机一系列产品的工作原理与索道穿梭机工作原理相似，穿梭机主要是利用电磁来实现自动驱动，主体上的传感器会根据预先设定的轨道位置信息进行定位，同时驱动装置会根据设定的运行速度和方向，通过电磁轨道的供电实现移动。穿梭机的产品优势主要表现在以下几个方面：一是自动化程度高，可以大幅提高运输效率；二是运行精度高，可以精确地完成货物的运输任务；三是能够节省人力成本，实现自动化操作。穿梭机的使用场景主要涉及自动化工厂、物流配送中心、机场、车站等需要大量运输的场景。在这些场景中，穿梭机可以实现快速、准确的运输，提高运作效率。穿梭机如图1所示。
图1 索道穿梭机运行场景
而索道穿梭机更接近于索道缆车，索道缆车由主缆、提升缆和滑轮等构成。主缆是一根由钢丝编制而成的、长度数千米的直径较大的缆绳，它以工程化的方式铺设于整条索道的两侧或其周围，主缆承担维持整个缆车系统的重力平衡和稳定性。因此防风也是必不可少的研究方向，强风不仅会加剧桥梁的振动,降低结构的疲劳寿命和耐久性,还会使桥上通行车辆产生安全性和舒适性问题[1]，对于索道穿梭机而言，两者都是以长方形作为模拟模型。索道穿梭机则包括驱动装置,驱动装置的底部设置有用于与索道相配合的驱动轮,驱动装置的底部连接有吊臂和防坠落挡件,吊臂和防坠落挡件分别设于驱动轮的两侧，整个系统呈现出缆索跨度大、系统阻尼小、车辆易摆动、受横风影响大等特点，架空索道所处的陡壁、峡谷与山崖等地形一般处在复杂风场环境下，进一步加大了架空索道的因风场而导致的安全隐。特别地，因索道穿梭机独特的悬挂式行走方式，其运动姿态极易收到横风影响，对于与索道穿梭机用途相似的货车运输而言，轮轨横向相互作用受横风载荷影响尤为显著;空载货车受强风载荷作用具有较高倾覆风险,满载货车在横风载荷作用下依旧满足车辆运行安全需求;列车开行通过多风区段应适当限速运行,强风区域设置挡风墙,以降低横风载荷对行车安全的威胁[2]。目前国内外对架空索道的研究主要集中在索道线路静动力学性能以及在常规荷载作用下的静动力学行为，对索道穿梭机与风耦合作用下风致振动与风振控制的研究鲜有文献报道，所以对索道穿梭机瞬态横风流场特性进行分析是很有必要的。本次课题通过CFD研究穿梭机外形、风速、运行速度、对穿梭机瞬态气动载荷及侧摆角的影响，系统性地分析索道穿梭机在风力作用下的动力学响应，揭示了风力对索道穿梭机运行的影响机理。
2) 国内外研究现状
索道穿梭机行业市场规模和未来发展趋势是越来越受到关注的话题。随着经济的快速发展，索道穿梭机行业的市场规模也在不断扩大，未来的发展趋势也将更加可观。客运索道作为一种现代化运输交通工具，在旅游、滑雪等行业中有着重要作用。随着社会经济的不断发展，人们对于客运索道安全风险的关注日益增强。当前，国内部分早期投入使用的客运索道不可避免地面临老龄化问题，其安全状况直接影响到人们的生命安全。文中结合我国客运索道安全现状，针对客运架空索道可能存在的风险，开展系统性的安全风险分析，基于客运索道可能存在的风险，深入研究客运索道风险评价的方法，从而得出更加全面和真实的安全状态，以期为客运索道运营管理与安全使用提供参考[3]。
索道穿梭机与传统交通运输工具相似都是以长方体作为基本构型，但是在流场特性和气动特性上两者又有着本质上的差别，在过去对放置在地面的典型钝体通过风洞试验方法已经做了大量的研究，而对缆车的风效应方面的研究非常少，对客运缆车风效应的研究仍处于起步阶段[4]。Wang等的试验研究了宽高比为5的有限长方形圆柱体，在较高雷诺数下（Re=11500）评估了边界层对尾迹的影响[5]。在客运缆车风效应方面，Klaus等通过现场试验发现，较高的侧风会导致缆车出现强烈的横向摆动[6]。Petrova等为了更好地了解双线索道测风条件下的横向摆动，提出了一种运行中的客运缆车数值模拟计算方法，数值模拟采用MATLAB和工具箱SIMULINK进行处理，在数值模拟中将风荷载假设为周期性阵风荷载，风荷载的大小随着时间和位置的变化而变化[7]。在车速一定时，随着横风速度的增大，头车受到的侧向力上升且其值最大；中间车侧向力和阻力均有所上升，升力先增大后减小；尾车的侧向力和阻力始终上升，升力先升后降；同时在列车背风侧则会有漩涡不断生成、脱离、融合[8]。而横风角度也会对汽车造成不同影响，“风-车”参数差异导致列车编组内动力响应差异，其中头车对风攻角α在60°～90°时对横风最敏感。曲线外轨欠超高时，车辆横向响应内侧风占主导，而过渡到过超高时横向响应外侧风占主导地位。曲线半径减小、风速及车速增长都会使得车辆安全性迅速变差[9]，受到瞬态变化的正弦侧风时，气动力系数呈周期性变化，但气动阻力系数的变化频率是气动侧力及横摆气动力矩系数变化频率的两倍；瞬态正弦侧风波长减小时，气动阻力系数的变化范围逐渐减小；在瞬态侧风作用下，Ａ 柱对汽车的气动性能产生了重要影响[10]。此时车辆受侧向力影响相似于索道穿梭机受横风影响的情况。而在公轨并行桥梁横风作用下桥面列车和车桥系统气动特性研究中，通过CFD模拟得出的数据表明，在均匀来流条件下，单列列车或双列列车前车的迎风面为正压区，而顶面和背风侧表面则形成负压区，双列列车的后车全表面均为负压。CFD模拟流场显示，在主梁风向下游出现交替脱落的旋涡现象[11]。通过研究得出的相关气动性能结果可以为桥梁的设计及改进提供数据支持。
近年计算机发展迅速，对一些汽车、列车、桥梁横风载荷领域的研究大多是采用风洞试验和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）（如图-2所示）数值模拟进行分析，首先采用 CFD 仿真计算侧风条件下汽车的气动特性并与风洞试验结果进行对比。接着将 CFD 仿真得到的气动六分力加载到动力学模型中，预测侧风条件下汽车的横摆角速度和侧偏位移，最后进行实车道路试验，采用主观评价方法比较侧风下汽车稳定性的优劣[12]。CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。他作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20 世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科，回顾过去， CFD软件在工业应用中的发展可以分为三大阶段：第一次浪潮：商业CFD软件起步于上世纪70-80年代。第二次浪潮：上世纪90年代，CFD开始进入大型工业企业的研发部门。第三次浪潮：千禧年之后，CFD已成为企业产品开发流程不可或缺的部分。今天，全球数以千计的公司得益于FLUENT的这一工程设计与分析软件，它在多物理场方面的模拟能力使其应用范围非常广泛，是目前功能最全的CFD软件，CFD技术已经有了长足发展，通过项目式教学法将CFD技术引入流体力学教学，有助于提高学生的学习和研究能力[13]。CFD计算网格的生成及优化技术是计算流体力学数值计算的关键技术之一，很大程度上决定了数值计算的最终精度及计算效率。CFD模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万级别，在给定的计算时间内获得更高的数值计算精度，是当前CFD急需发展的关键技术[14]。
图2 计算流体动力学应用示例
目前国内外对横风流场及气动特性的研究普遍集中在列车、汽车、轮船等交通工具或桥梁建设上，还没有过多的关注到索道穿梭机在横风流场下的气动特性，而横风较大时对索道穿梭机的运行有很大影响，当汽车受横风影响时，在气动分力中，侧向力是影响车辆侧风动态响应的关键因素，通过优化外形减小车辆所受侧向力可提高车辆的抗侧风性能[15]，同样的结论可被借鉴到索道穿梭机中。为了确保索道穿梭机的安全、高效运行，工程师还需要密切关注定期检查和维护、系统优化、安全防护、智能化升级等方面，对索道穿梭机的各个部件进行定期检查，确保其正常运行，并对磨损、老化的部件及时进行更换和维护。不断优化走行机驱动装置、紧固装置等关键部件，提高索道穿梭机的运行效率和稳定性。设计安全防护措施，如制动装置、防风装置等，确保索道穿梭机在各种环境条件下的安全运行。利用现代信息技术，如物联网、大数据等，对索道穿梭机的运行状态进行实时监控和分析，实现远程诊断、故障预警等智能化功能。通过以上措施，工程师们可以充分发挥索道穿梭机在各个领域的优势，为人们的生活和工作带来便捷和高效。
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