趙九峰

(河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

碰碰車(chē)是一種依靠靈敏的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在固定車(chē)場(chǎng)內(nèi)可以任意行駛的游樂(lè)設(shè)施。根據(jù)取電方式的不同，分為天網(wǎng)碰碰車(chē)和地網(wǎng)碰碰車(chē)。其中，地網(wǎng)碰碰車(chē)具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度快等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外流行的游樂(lè)設(shè)備。因?yàn)榕雠鲕?chē)周?chē)加幸粚泳彌_胎，能起到吸能、緩沖和降噪的作用，確保了碰撞中的人車(chē)安全。

碰碰車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)體之間、車(chē)體與防撞梁之間不斷發(fā)生碰撞，經(jīng)常承受作用時(shí)間很短但幅度很大的碰撞沖擊載荷。碰碰車(chē)與防撞梁的碰撞主要為正面碰撞。碰碰車(chē)結(jié)構(gòu)中的緩沖胎和車(chē)架是正面碰撞時(shí)的主要吸能和承載構(gòu)件。碰撞過(guò)程中，緩沖胎的吸能效果可以降低碰撞過(guò)程中的碰撞力，對(duì)乘車(chē)人起到保護(hù)作用[1]。為了解決當(dāng)前碰碰車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)碰撞沖擊系數(shù)理論計(jì)算不精確，而樣機(jī)碰撞試驗(yàn)又過(guò)于昂貴和麻煩的現(xiàn)狀[2]，以有限元仿真技術(shù)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用有限元工程分析軟件，模擬碰碰車(chē)和防撞梁的正碰撞過(guò)程，對(duì)緩沖胎的吸能特性進(jìn)行研究[3]。該研究可為碰碰車(chē)等游樂(lè)設(shè)施的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

1 碰碰車(chē)運(yùn)行原理

碰碰車(chē)主要由車(chē)架、緩沖胎、驅(qū)動(dòng)輪、操縱系統(tǒng)等組成。碰碰車(chē)的前輪結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)為一體式，可以360°旋轉(zhuǎn)，利用加速用的腳踏和轉(zhuǎn)向的方向盤(pán)，轉(zhuǎn)向角度靈活。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)地板提供電力，可以在整個(gè)地板上形成2個(gè)極性。車(chē)架下面的取電輪接觸到地網(wǎng)取電。因?yàn)閷?dǎo)電地板為一系列帶狀，且碰碰車(chē)足夠大，足以覆蓋至少2個(gè)帶狀以形成完整電路，所以車(chē)體上的導(dǎo)電輪使電機(jī)得電，從而帶動(dòng)車(chē)體運(yùn)行。

碰碰車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 碰碰車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Bumper car structure diagram

碰碰車(chē)車(chē)架外側(cè)四周配有橡膠做成的緩沖胎。橡膠作為一種超彈性材料，具有回彈性強(qiáng)、變形量大、拉壓性能好等特點(diǎn)，以及降噪、減振和延長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)點(diǎn)[4]。運(yùn)行碰撞過(guò)程中，撞擊力通過(guò)緩沖胎間接作用在車(chē)架上，可顯著降低因?yàn)檐?chē)輛相撞產(chǎn)生的慣性力，起到緩沖作用，盡可能減少對(duì)車(chē)架的損傷和對(duì)駕駛?cè)藗5]。

2 碰撞性能分析理論

碰撞過(guò)程屬于非線性動(dòng)態(tài)接觸和沖擊載荷變形過(guò)程，是連續(xù)接觸力的非線性動(dòng)態(tài)接觸過(guò)程[6]。此過(guò)程是將動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為其他形式的能，如應(yīng)變能、熱能、聲能等。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的能量、質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程[7]，碰撞沖擊的問(wèn)題屬于典型瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)。碰撞性能分析的理論方程如下。

能量守恒方程為：

E=vSijεij-(p+q)v

(1)

式中：v為物體的速度；Sij為偏應(yīng)力張量；εij為應(yīng)變率張量；p為壓力；q為體積黏性阻力。

質(zhì)量守恒方程為：

ρ=Jρ0

(2)

式中：ρ為當(dāng)前質(zhì)量密度；ρ0為初始質(zhì)量密度；J為變形梯度行列式。

動(dòng)量守恒方程為：

(3)

3 有限元分析

3.1 碰撞分析的流程

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以用于對(duì)承受碰撞沖擊的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程中的載荷、強(qiáng)度進(jìn)行模擬計(jì)算[8]。利用ANSYS Workbench軟件的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊Transient Structure，對(duì)碰碰車(chē)與防撞梁的正碰撞進(jìn)行仿真模擬，求解碰撞過(guò)程中的能量和應(yīng)力隨時(shí)間的變化。

有限元分析流程如圖2所示。

圖2 有限元分析流程圖Fig.2 Finite element analysis flowchart

有限元分析主要包括以下步驟：依據(jù)圖紙、在軟件中建立幾何模型；定義結(jié)構(gòu)屬性，施加載荷及邊界條件；設(shè)置單元尺寸，劃分網(wǎng)格，生成有限元模型；選定算法對(duì)分析模型進(jìn)行解算；后處理，計(jì)算結(jié)果顯示及分析。

3.2 有限元模型

依據(jù)本次碰撞仿真的試驗(yàn)?zāi)康?，為保證計(jì)算準(zhǔn)確、減小計(jì)算規(guī)模并使模型能夠反映碰碰車(chē)真實(shí)的力學(xué)特性，對(duì)碰碰車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[9]。簡(jiǎn)化方案為：忽略碰碰車(chē)玻璃鋼外殼、操縱系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輪等，在車(chē)架結(jié)構(gòu)上附加質(zhì)量單元以模擬乘客和座艙等質(zhì)量。

碰碰車(chē)滿載時(shí)的總質(zhì)量m=408 kg(含2名乘客)。碰碰車(chē)架和防撞梁材料為Q235B，緩沖胎的材料為橡膠。碰撞前，碰碰車(chē)的最大水平速度v=2.5 m/s。在建模、加載及求解過(guò)程中不考慮材料塑性影響[10]，定義各部分的材料屬性。材料的力學(xué)性能[11]如表1所示。

表1 材料的力學(xué)性能

緩沖胎采用橡膠材料，既可以模擬緩沖胎撞擊時(shí)發(fā)生大變形時(shí)所產(chǎn)生的吸能和緩沖作用，又可以避免車(chē)架在碰撞分析計(jì)算中產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力[12]。碰碰車(chē)和防撞梁由型鋼和鋼板焊接而成。為得到更精確的計(jì)算結(jié)果，采用殼單元(SHELLl81)建立有限元模型，使用四邊形和三角形混合單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，在緩沖胎與防撞梁的可能接觸部位對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。控制網(wǎng)格大小為10 mm，共生成14 151個(gè)單元、13 888個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

碰碰車(chē)緩沖胎與防撞梁之間施加面-面無(wú)摩擦接觸。為了避免單元節(jié)點(diǎn)相互穿透，本文選擇法向拉格朗日算法，并根據(jù)碰撞沖擊類(lèi)型、時(shí)間步控制選擇預(yù)測(cè)碰撞[13]方法。車(chē)架底部施加Y向平動(dòng)位移約束，定義初始速度。在初始工況下，定義車(chē)架模型速度為2.5 m/s。在整個(gè)分析過(guò)程中，初始速度僅為碰撞前的初始值。碰撞仿真總分析時(shí)間為0.1 s。

4 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

4.1 吸能效果分析

碰撞分析結(jié)束后，通過(guò)后處理查看碰碰車(chē)緩沖胎的低速吸能變化情況。 緩沖胎吸收能量時(shí)間歷程曲線如圖4所示。

圖4 緩沖胎吸收能量時(shí)間歷程曲線Fig.4 Time history curve of energy absorbed by cushion tire

由圖4可知：開(kāi)始發(fā)生碰撞時(shí)，能量吸收不斷增加，直至0.01 s左右吸能曲線達(dá)到峰值[14]；而后，能量開(kāi)始釋放，進(jìn)入反彈階段，直至能量釋放完畢，在0.02 s左右碰撞結(jié)束。

由圖4可知，碰撞過(guò)程中緩沖胎總吸收能量為1 022.1 J。碰撞發(fā)生初期，碰碰車(chē)的總動(dòng)能為：

(4)

式中：m為滿載碰碰車(chē)的總質(zhì)量，kg；v為初始速度，m/s。

本文取m=408 kg、v=2.5 m/s代入式(4)，可得碰撞初期的總動(dòng)能為1 275 J、碰撞過(guò)程中緩沖胎吸收的能量占總能量的80.2%。由此表明，緩沖胎能起到很好的緩沖吸能作用。

4.2 安全性評(píng)價(jià)

碰碰車(chē)車(chē)架分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 車(chē)架分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of frame

由圖5(a)可知，在0.01 s時(shí)，車(chē)架應(yīng)力達(dá)到最大峰值。提取此刻車(chē)架的應(yīng)力云圖，如圖5(b)所示，可知車(chē)架的最大應(yīng)力為68.5 MPa，出現(xiàn)在車(chē)架前方位置。

由GB 8408—2018《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》6.2.2條：材料極限應(yīng)力與其承受的最大應(yīng)力的比值為安全系數(shù)，運(yùn)動(dòng)部件和不直接涉及人身安全的支撐框架安全系數(shù)應(yīng)不小于3.5[15]。

(5)

式中：n為安全系數(shù)；σb為材料的極限應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文基于碰撞沖擊載荷作用時(shí)間短、幅度大且難以準(zhǔn)確計(jì)算的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，利用有限元軟件ANSYS Workbench的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊，對(duì)碰碰車(chē)與防撞梁的正碰撞進(jìn)行模擬計(jì)算，并得出以下結(jié)論。

①緩沖胎在碰撞過(guò)程中，吸收總能量的80.2%，起到很好的緩沖吸能作用。

②碰碰車(chē)的車(chē)架在碰撞載荷作用下，應(yīng)力強(qiáng)度的安全系數(shù)大于3.5，保證了結(jié)構(gòu)的安全性能，即結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形和失效。

通過(guò)碰碰車(chē)車(chē)架與防撞梁正碰撞工況下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，提取車(chē)架部位的應(yīng)力時(shí)程曲線，能獲取整個(gè)碰撞過(guò)程中車(chē)架的薄弱部位。該研究為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考，并對(duì)保障游樂(lè)設(shè)施的安全性、提高設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。