黃建文 浙江巨馬游藝機(jī)有限公司

基于midas NFX 某游樂(lè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)

黃建文 浙江巨馬游藝機(jī)有限公司

游樂(lè)設(shè)備作為事關(guān)大眾的特種設(shè)備，引入有限元分析可以最大程度保證設(shè)計(jì)的安全可靠，為游樂(lè)設(shè)施的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新篇章[1]。本文利用著名的全中文有限元分析軟件midas NFX 對(duì)某型游樂(lè)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮各種載荷自重、離心力、風(fēng)載、地震載荷等及組合，模擬運(yùn)行和非運(yùn)行狀態(tài)下的受力，并計(jì)算出結(jié)果。結(jié)果表明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求，有限元在游樂(lè)設(shè)備中應(yīng)用更方便，分析結(jié)果更全面，更適合于象游樂(lè)設(shè)備此類特種設(shè)備的分析計(jì)算。

1 分析計(jì)算

1.1 大臂有限元分析

本項(xiàng)目采用全中文有限元分析軟件midas NFX[2-3]進(jìn)行計(jì)算分析。midas NFX具有豐富的國(guó)標(biāo)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)生成報(bào)告書、快速建模等特色功能有效地促進(jìn)建模及分析速度，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

●1.1.1 模型

大臂是本設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)座、承重臂、配重臂、座艙臂等部分，模型如圖1所示。

●1.1.2 網(wǎng)格及材料特性

考慮大臂的結(jié)構(gòu)，主要采用板單元，厚度參考設(shè)計(jì)尺寸。

材料采用Q235B，彈性模量2.06x105MPa，密度7850kg/m3，屈服強(qiáng)度235MPa，抗拉強(qiáng)度400MPa，直接從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的材料。

●1.1.3 約束邊界

根據(jù)實(shí)際情況定義分析模型的邊界條件：回轉(zhuǎn)支承相對(duì)應(yīng)螺栓孔和旋轉(zhuǎn)中心剛接，旋轉(zhuǎn)中心固定約束，約束如圖2所示。

圖2 約束邊界

●1.1.4 加載

1）自重

大臂的自重按模型，由程序計(jì)算；按大臂所處位置分2種，底部時(shí)受垂直向下的自重即Y向，水平時(shí)受水平向下的自重即Z向；考慮大臂上的一些裝飾件及、邊角、焊縫的因素，自重考慮1.1的放大系數(shù)。

2）座艙給大臂之座艙臂立桿的力

游樂(lè)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，大臂還受到座艙的作用力，作用力計(jì)算見(jiàn)表1。

3）離心力

離心力包括大臂自身及座艙和乘客產(chǎn)生的，兩者計(jì)算方法分別：大臂的離心力由程序計(jì)算，轉(zhuǎn)速15.5r/min，座艙、乘客的離心力包括在“座艙給大臂的力”。

表1 座艙對(duì)大臂的作用力（全局坐標(biāo)系）

4）風(fēng)載荷

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[5]風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，風(fēng)載荷按下面公式計(jì)算:

式中:wK——風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）

βZ——Z高處的風(fēng)振系數(shù)

μs——風(fēng)載荷體型系數(shù)

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)

w0——基本風(fēng)壓（kN/m2）

設(shè)備高度19m, 自振周期：0.013×19=0.247s,查有關(guān)規(guī)范，風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值分考慮運(yùn)行狀態(tài)和非運(yùn)行狀態(tài)兩種，計(jì)算如下詳述。

表2 運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)載表

基本風(fēng)壓按50年一遇進(jìn)行選取，取基本風(fēng)壓為0.85kN/m2，則可以覆蓋全國(guó)絕大部分地區(qū)，于是非工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷為見(jiàn)表3。

表3 非運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)載表

5）地震載荷對(duì)設(shè)備的作用

本設(shè)備適宜按照丙類建筑抗震設(shè)計(jì)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]相關(guān)要求，丙類建筑應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。因此，按照使用區(qū)域覆蓋范圍。本設(shè)備抗震設(shè)防烈度取8級(jí)。8級(jí)地震對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的水平加速度aV=0.3g=2.943m/s2。

地震載荷計(jì)算公式為:T=G0·aV

式中:T——地震載荷（水平方向）kN;

G0——結(jié)構(gòu)自重,t;

aV——地震波產(chǎn)生的水平加速度,m/s2;

地震荷載由程序自動(dòng)計(jì)算。

●1.1.5 荷載組合

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行載荷組合，載荷組合表見(jiàn)表4。

表4 載荷組合表

●1.1.6 計(jì)算結(jié)果

1) 底部位置滿載狀態(tài)

底部位置滿載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為39.6MPa,發(fā)生在大臂加強(qiáng)桿連接位置，如圖3所示。

圖3 大臂加強(qiáng)桿連接處應(yīng)力云圖

2）水平位置滿載狀態(tài)

水平位置滿載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為68.7MPa,發(fā)生在大臂旋轉(zhuǎn)位置附近，如圖4所示。

圖4 大臂旋轉(zhuǎn)處應(yīng)力云圖

3）底部位置偏載狀態(tài)

底部位置偏載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為32.0MPa,發(fā)生在大臂加強(qiáng)桿連接位置，如圖5所示。

圖5 底部位置偏載時(shí)的應(yīng)力云圖

4）水平位置偏載狀態(tài)

水平位置偏載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為66.3MPa,發(fā)生在大臂旋轉(zhuǎn)位置附近，如圖6所示。

圖6 水平位置偏載時(shí)的應(yīng)力云圖

5）大風(fēng)狀態(tài)

大風(fēng)狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為93.4MPa,發(fā)生在大臂旋轉(zhuǎn)位置附近，如圖7所示。

圖7 大風(fēng)狀態(tài)大臂旋轉(zhuǎn)處應(yīng)力云圖

6）地震狀態(tài)

地震載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為56.6MPa,發(fā)生在大臂旋轉(zhuǎn)位置附近，如圖8所示。

圖8 地震載大臂旋轉(zhuǎn)處的應(yīng)力云圖

●1.1.7 結(jié)果分析

1）運(yùn)行狀態(tài)：

底部位置滿載狀態(tài)最大應(yīng)力39.6Mpa

水平位置滿載狀態(tài)最大應(yīng)力68.7MPa

底部位置偏載狀態(tài)最大應(yīng)力32.0MPa

水平位置偏載狀態(tài)最大應(yīng)力66.3MPa

最大應(yīng)力為底部滿載狀態(tài)，最大應(yīng)力68.7MPa，沖擊系數(shù)1.5，安全系數(shù)為400/(68.7 x1.5)=5.82>3.5，滿足“GB8408-2008[4]”的要求。

2）非運(yùn)行狀態(tài)

大風(fēng)狀態(tài)最大應(yīng)力93.4MPa

地震狀態(tài)最大應(yīng)力56.6MPa

最大應(yīng)力為大風(fēng)狀態(tài)，最大應(yīng)力93.4MPa，安全系數(shù)為235/93.4=2.52>1，滿足“GB8408-2008游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范”的要求。

1.2 座艙有限元分析

●1.2.1 模型

對(duì)座艙進(jìn)行細(xì)部建模分析，模型如圖9所示。

圖9 座艙模型圖

●1.2.2 網(wǎng)格及材料特性

依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要采用板單元，厚度按照?qǐng)D紙。

與大臂使用材料相同，材料采用Q235B，彈性模量2.06×105GPa，密度7850kg/m3，屈服強(qiáng)度235MPa，抗拉強(qiáng)度400MPa。

●1.2.3 約束邊界

立桿頂部和旋轉(zhuǎn)中心剛接，旋轉(zhuǎn)中心固定約束。

●1.2.4 加載

1）自重

（1）座艙的自重按模型，由程序計(jì)算；按座艙所處位置分2種，底部時(shí)受垂直向下的自重即Y向，水平時(shí)受水平向下的自重即Z向；考慮座艙上的一些裝飾件及、邊角、焊縫的因素，模型自重考慮1.1的放大系數(shù)。

（2）乘客的自重

座艙在底部時(shí)，自重作用在座板上700N/人；座艙處于水平位置時(shí)，自重作用在壓杠橫銷孔上350N/孔。

2）離心力

（1）座艙的離心力由程序計(jì)算，轉(zhuǎn)速15.5r/min

（2）乘客的離心力為：

作用在座艙座板上。

3）風(fēng)載荷

與大臂計(jì)算類似，在此省略。

4）地震載荷對(duì)設(shè)備的作用

與大臂計(jì)算類似，在此省略。

●1.2.5 荷載組合（見(jiàn)表5）

表5 荷載組合

●1.2.6 計(jì)算應(yīng)力云圖

1）底部位置滿載狀態(tài)

底部位置滿載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為63.4MPa,發(fā)生在座艙加強(qiáng)筋位置附近，如圖10所示。

圖10 底部滿載時(shí)應(yīng)力云圖

2）水平位置滿載狀態(tài)

水平位置滿載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為54.2MPa,發(fā)生在座艙加強(qiáng)筋位置附近，如圖11所示。

圖11 水平位置滿載時(shí)應(yīng)力云圖

3) 底部位置偏載狀態(tài)

底部位置偏載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為61.2MPa,發(fā)生在座艙加強(qiáng)筋位置附近，如圖12所示。

圖12 底部位置偏載時(shí)的應(yīng)力云圖

4）水平位置偏載狀態(tài)

水平位置偏載狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為52.6MPa,發(fā)生在座艙加強(qiáng)筋位置附近，如圖13所示。

圖13 水平位置偏載時(shí)應(yīng)力云圖

5）大風(fēng)狀態(tài)

大風(fēng)狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為93.9MPa,發(fā)生在座艙橫支撐頂部位置附近，如圖14所示。

圖14 大風(fēng)狀態(tài)座艙支撐頂部應(yīng)力云圖

6）地震狀態(tài)

地震狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力約為9.4MPa,發(fā)生在座艙加強(qiáng)筋位置附近，如圖15所示。

圖15 地震狀態(tài)座艙加強(qiáng)筋處應(yīng)力云圖

●1.2.7 結(jié)果分析

1) 運(yùn)行狀態(tài)

底部位置滿載狀態(tài)最大應(yīng)力63.4MPa

水平位置滿載狀態(tài)最大應(yīng)力54.3MPa

底部位置偏載狀態(tài)最大應(yīng)力61.2MPa

水平位置偏載狀態(tài)最大應(yīng)力52.6 MPa

最大應(yīng)力為底部滿載狀態(tài)，最大應(yīng)力63.4MPa，安全系數(shù)為400/63.4=6.31>3.5，滿足“GB8408-2008游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范”的要求。

2）非運(yùn)行狀態(tài)

大風(fēng)狀態(tài)最大應(yīng)力94MPa

地震狀態(tài)最大應(yīng)力9.4MPa

最大應(yīng)力為大風(fēng)狀態(tài)，最大應(yīng)力94MPa，安全系數(shù)為235/94=2.5>1，滿足“GB8408-2008游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范”的要求。

2 優(yōu)化分析

從大臂和座艙的演算結(jié)果來(lái)看，這個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)偏于保守，大部分結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)化空間?？紤]結(jié)構(gòu)承載作用的大小不同，分別對(duì)大臂內(nèi)部加強(qiáng)筋、主體結(jié)構(gòu)、座艙的部分連接結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行尺寸減薄優(yōu)化。同樣地，利用midas NFX進(jìn)行優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平并未發(fā)生明顯的提高，減重效果明顯，而且符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

綜上所述，有限元軟件可以詳細(xì)獲得游樂(lè)設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)任一點(diǎn)的應(yīng)力和撓度，通過(guò)負(fù)載組合，可以快速計(jì)算出不同狀態(tài)下的剛度和強(qiáng)度值。

有限元方法對(duì)游樂(lè)設(shè)施金屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算更全面，能夠處理更復(fù)雜的計(jì)算模型，考慮更多的實(shí)際工況，因此是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中的有效工具。

2013－11－15）