田 哲，李永奎

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院，遼寧 沈陽 110866)

基于SolidWorks的三自由度游樂設(shè)備的設(shè)計與有限元分析*

田 哲，李永奎

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院，遼寧 沈陽 110866)

闡述了SolidWorks對三自由度游樂設(shè)備進行三維實體建模，利用SolidWorks-Simulation有限元分析軟件對游樂設(shè)備的總體進行動力學分析，得到它的振動特性；同時對船體的橫梁和左右支柱進行靜力學分析，得到應(yīng)力、位移、彎矩等的分布圖，這些都為結(jié)構(gòu)的改進和動態(tài)特性的進一步分析提供重要基礎(chǔ)。

SolidWorks；三自由度游樂設(shè)備；建模；動力學分析；靜力學分析

0 引 言

現(xiàn)代機械產(chǎn)品的設(shè)計大多采用三維軟件建模，如SolidWorks，Pro/E，UG，Catia等，這些三維軟件基本應(yīng)用于機械、模具、航空、船舶等各個領(lǐng)域，范圍非常廣泛，不但能大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，而且能更直觀地反應(yīng)出模型空間布局是否合理和有無干涉等關(guān)鍵問題，還能對設(shè)計模型進行機械性能方面的分析。Pro/E在模具設(shè)計中有其獨特的一面；UG、Catia是非常高端的軟件，在航空航天和汽車行業(yè)應(yīng)用較多。而SolidWorks易學易會，易上手，且具有強大的CAD/CAE功能等特點，能夠根據(jù)需要進行有限元分析。

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視業(yè)余文化生活，因此，設(shè)計一款有意義并且十分刺激的游樂設(shè)備十分重要。筆者主要利用SolidWorks對三自由度游樂設(shè)備進行建模和有限元分析。通過算例對裝配體進行總體動力學分析，再對其中的主要零部件進行靜力學分析，對結(jié)果的后續(xù)改進進行綜合分析，得出最佳的設(shè)計方案。以便在保證設(shè)備滿足強度的前提下，減小零部件的厚度，以達到節(jié)約原材料，降低勞動成本，增加設(shè)備可靠性和使用壽命的目的[1]。

1 模型的建立

整個游樂設(shè)備主要由左右支柱、三角底座、轉(zhuǎn)臂、擺臂、萬向節(jié)、船體、人椅模型等構(gòu)成。對于游樂設(shè)備的三維建模，采用自下向上的傳統(tǒng)設(shè)計方法，即先對游樂設(shè)備各組成部分進行獨立建模，然后將它們插入到裝配體中，接著按照一定的配合關(guān)系將各部分零部件依次定位，裝配成一個完整的游樂設(shè)備，裝配體如圖1所示。

圖1 游樂設(shè)備裝配體

零件在裝配過程中，實際上就是一個約束和限位的過程，即通過各種約束方式對零部件的自由度進行限制，根據(jù)不同的零件模型及設(shè)計要求，選擇適合的裝配約束類型，從而完成零部件的定位。首先要確定各個零件的裝配順序，可以從一端開始進行裝配，然后確定各個零部件的自由度及零部件間運動關(guān)系，以確定應(yīng)該使用的約束形式，并對其進行干涉檢查[2]。

1.1 添加約束

對游樂設(shè)備各個零部件的自由度和零部件之間的運動關(guān)系進行分析，先要確定它的約束形式，主要用到重合、同心、平行、距離等配合關(guān)系，最終完成整個游樂設(shè)備的總體裝配。

1.2 碰撞及干涉檢查

在裝配體中選擇旋轉(zhuǎn)零部件、自由拖動、碰撞檢查、碰撞時停止選項。通過旋轉(zhuǎn)零部件，檢查所選擇零部件與其它零部件之間的碰撞，進而確定約束自由度的設(shè)置是否正確。

在大型和復(fù)雜游樂設(shè)備裝配體中，僅依靠視覺去檢查零部件之間是否發(fā)生干涉是非常困難的事，故需要進行動態(tài)干涉檢查，在評估中選擇干涉檢查，會自動檢查是否發(fā)生干涉現(xiàn)象，如果機構(gòu)設(shè)計的不合理，則零部件將無法運動到指定的位置，而發(fā)生停止，不能完成預(yù)想的動作，進而裝配將無法繼續(xù)實現(xiàn)[3]。

2 裝配體的動力學分析

SolidWorks動力學分析包括頻率分析、屈曲分析、熱力分析、跌落測試分析、疲勞分析、非線性分析、線性動力分析、壓力容器設(shè)計分析等，這里主要介紹頻率分析和線性動力分析。

2.1 頻率分析

頻率分析也叫模態(tài)分析，是一種計算共振頻率及其對應(yīng)的振動形式的方法，是動力學分析過程中不可或缺的一步。動力學分析會涉及到質(zhì)量矩陣[M]、阻尼矩陣[C]和剛度矩陣[K]，而頻率分析表示機械結(jié)構(gòu)在無阻尼自由振動下的固有頻率及其相應(yīng)振型，當忽略外部載荷和阻尼的影響后，無阻尼振動方程為：

(1)

SolidWorks Simulation頻率分析時，定義材料為Q235鋼；因為關(guān)注的對象是游樂設(shè)備本身，故將轉(zhuǎn)臂配重和人椅模型視為遠程質(zhì)量，在遠程質(zhì)量的面的選擇列表框中，選擇承受其載荷的面；由于頻率分析只涉及質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，因而結(jié)構(gòu)外形必須保持不變，不能定義無穿透接觸，同時也不能使用螺栓接頭，可使用接合、銷釘聯(lián)接和焊接等方式來近似模擬，故選擇自動查找相觸面組，定義接合接觸；添加夾具，左、右支柱分別同圓盤添加固定鉸鏈，三角底座添加固定幾何體；不考慮載荷對結(jié)果的影響；采用高品質(zhì)網(wǎng)格劃分，運行分析即可得到裝配體的固有頻率和振動形式，如表1所列為游樂設(shè)備前10階的固有頻率和主要振動形式。位移的大小并不代表振動結(jié)構(gòu)的真實位移，在頻率分析中，如果結(jié)構(gòu)件在給定模式下發(fā)生振動，位移大小可用于確定結(jié)構(gòu)上特定位置相對于其他位置的位移。此外，通過對裝配體施加沖擊載荷并分析其結(jié)構(gòu)響應(yīng)(位移、速度等)的方法，可得到裝配體的真實振動特征[4]。

表1 游樂設(shè)備前10階固有頻率和主要振動形式

2.2 諧波分析

SolidWorks Simulation提供的線性動力算例中的諧波響應(yīng)是用來評估不同工作頻率狀態(tài)下的峰值響應(yīng)。它的目的在于得出響應(yīng)值(如應(yīng)力和位移)對頻率的曲線，以及通過曲線得到響應(yīng)峰值及其對應(yīng)的頻率。主要分析計算模型在穩(wěn)態(tài)振動下的響應(yīng)情況，從而忽略激勵開始時的瞬態(tài)振動，這種分析技術(shù)主要是讓設(shè)計人員驗證其設(shè)計是否已經(jīng)避免了共振、疲勞破壞和經(jīng)歷其他的受迫振動而引起的破壞效果[5]。

SolidWorks Simulation中的諧波響應(yīng)分析的步驟分為設(shè)置算例屬性，定義遠程質(zhì)量，添加連結(jié)條件，添加夾具，定義外部載荷，劃分網(wǎng)格，定義阻尼，最后運行分析等。夾具還要再添加高級夾具中的參考幾何體，約束作用在左右支柱的圓孔內(nèi)表面，參考基準面選擇前視基準面(與Z坐標軸垂直)，限制這兩個圓孔的沿基準面方向1(X坐標方向)、沿基準面方向2(Y坐標方向)和垂直于基準面三個方向的平移(Z坐標方向)。外部載荷采用選定的基準激發(fā)，激發(fā)類型是位移。阻尼頻率設(shè)定為0.05。本節(jié)主要研究在正余弦激勵的作用下三自由度游樂設(shè)備的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的分析方法，而正余弦的激勵主要來源于液壓馬達的驅(qū)動。游樂設(shè)備在工作過程中，會受到液壓馬達、自身結(jié)構(gòu)、天氣等因素的影響，導(dǎo)致游樂設(shè)備產(chǎn)生不同程度的振動，從而影響乘客的游樂安全。研究游樂設(shè)備沿基準面方向1激勵下(即橫向)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果如圖2、3所示。

當頻率達到24.557 Hz時，左轉(zhuǎn)臂的位移變化達到最大，為18.641 mm。由前面模態(tài)分析的結(jié)果可看出，左轉(zhuǎn)臂頻率在24.557 Hz時最接近游樂設(shè)備的第7階固有頻率24.499 Hz，其他頻率下的位移只是稍有變化，比較小，為避免游樂設(shè)備的共振導(dǎo)致位移過大，而使液壓馬達在工作時遇到此頻率而快速通過。X軸方向的位移變化最大，Y軸方向的位移變化次之，Z軸方向的位移變化最小且影響甚微。

同樣的方法，得出結(jié)果為表2所列，可以看出對X坐標軸進行激勵，左、右轉(zhuǎn)臂振動幅度較大，其次是船體，之后是右擺臂。

圖2 左轉(zhuǎn)臂上節(jié)點33436的幅頻特性曲線

圖3 左轉(zhuǎn)臂上節(jié)點33436在X、Y、Z軸方向上的幅頻特性曲線

振幅方向節(jié)點33436節(jié)點27229節(jié)點24522節(jié)點9363合18.64121.5293.65276.6587X18.60921.2543.61986.3089Y2.77793.96720.4652.126Z2.59852.96760.5495.5079

3 關(guān)鍵零部件的靜力學分析

作用在游樂設(shè)備上的載荷分為永久載荷和變載荷，永久載荷就是結(jié)構(gòu)自重，而變載荷包括乘人本身載荷，所以需對關(guān)鍵零部件進行靜力學分析，故應(yīng)用SolidWorks中的Simulation有限元分析插件對主要受力零部件進行分析。

3.1 船 體

工作過程中，自身載荷和外部載荷均作用在船體上，對船體上面的橫梁形成非常大的彎矩，這就要求船體具有足夠大的剛度和強度，根據(jù)設(shè)計尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模后，需對其進行靜力學分析。

對船體指定材料為Q235，將主梁視為橫梁，自動計算它的接點。

添加相觸面組，手工選取相觸面組，先將橫梁端面和小圓餅的面接合，然后將和橫梁接觸的豎梁、斜梁的面與其接合，最后其他零件之間的接觸方式通過選擇自動查找相觸面組添加接合接觸。

根據(jù)裝置中船體的安裝形式，在船體的兩端安裝圓柱面上分別添加夾具約束軸承支撐。規(guī)定乘坐成人2人以上按700 N/人計算[6]，根據(jù)船體的實際受力形式和工作過程中承受的最大載荷，在船體的每個支撐梁上將添加4 528 N的Y向載荷。

模型有實體模型、橫梁、殼模型，故采用混合網(wǎng)格劃分，所用網(wǎng)格器基于曲率的網(wǎng)格，雅克比點4點，殼體的雅克比檢查為打開，最大單元大小為213.301 mm，最小單元大小為42.660 1 mm，網(wǎng)格品質(zhì)高，節(jié)總數(shù)為16 562，單元總數(shù)為8 158。

劃分好網(wǎng)格后，進行運行分析，得出最大應(yīng)力為43.2 MPa，遠遠低于材料的屈服強度235 MPa，其最大位移為1.135 mm，滿足實際要求。對于主梁來說，最重要的是分析它的彎矩情況，如圖4、5所示，方向1的最大彎矩為48.476 N·m，方向2的最大彎矩為6 016.680 N·m，可在主梁和豎梁之間加筋，防止應(yīng)力集中。

圖4 船體主梁方向1的彎矩圖解

圖5 船體主梁方向2的彎矩圖解

3.2 左支柱和右支柱

同樣，可對左、右支柱進行靜力學分析，指定材料、連結(jié)、夾具、外部載荷，計算結(jié)果如表3所列，可知滿足實際要求。

表3 左支柱和右支柱的靜力學分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 以SolidWorks軟件為平臺，對三自由度的游樂設(shè)備進行了建模，并對其進行動力學分析、靜力學分析，為后續(xù)的改進和優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

(2) 以三自由度的游樂設(shè)備為研究對象，進行頻率分析得出前10階固有頻率及主要振動形式，諧波分析得出游樂設(shè)備上特殊節(jié)點的幅頻特性曲線，表明了對X坐標軸激勵下，振動幅度的情況。

(3) 對船體、左、右支柱進行靜力學分析，得出三者的最大應(yīng)力、最大位移和船體橫梁的最大彎矩等。

[1] 逯艷艷，李永奎.基于SolidWorks軸類零件優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012(1):24-26.

[2] 趙 罘，楊曉晉，張云杰.SolidWorks 2008基礎(chǔ)設(shè)計教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3] 李廣鑫，曹 為.基于SolidWorks的機械手臂虛擬設(shè)計與運動仿真[C].全國先進制造技術(shù)高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動化與信息化技術(shù)研討會.武夷山,2010.

[4] 陳超祥，葉修梓.SolidWorks Simulation高級教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[5] 陳超祥，胡其登.SolidWorks Simulation Premium振動分析教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[6] GB 8408—2008，游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].

Design and Finite Element Analysis on the 3-DOF Amusement Equipment Based on SolidWorks

TIAN Zhe，LI Yong-kui

(CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,ShenyangLiaoning110866,China)

The 3-D entity model of 3-DOF amusement equipment by SolidWorks was bult, dynamics analysis was imposed on the overall of the amusement rides by using SolidWorks-Simulation of finite element analysis software, so as to obtain its vibration characteristics, at the same time distribution maps of stress, displacement and bending of hull beam and pollars were obtained by statics analysis, all of them provid the basis for the reaearch on structure improvement and dynamic characteristics analysis.

SolidWorks; 3-DOF amusement equipment; modeling; dynamics analysis; statics analysis

2014-01-20

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題任務(wù)“玉米免耕播種機動力學特性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”(編號：2011BAD20B09-11)

田 哲(1987-)，女，遼寧沈陽人，在讀碩士，主要從事計算機輔助設(shè)計與分析研究方面的工作。

李永奎(1963-)，男，遼寧營口人，教授，博士，主要從事機械計算機輔助設(shè)計方面的教學與研究工作。

TH122

A

1007-4414(2014)02-0024-03