雙層轉(zhuǎn)馬三維有限元分析

鄧明星 (武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

張 強(qiáng) (廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

雙層轉(zhuǎn)馬三維有限元分析

鄧明星 (武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

張 強(qiáng) (廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

旋轉(zhuǎn)木馬是常見的游樂設(shè)施。其結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性尤為重要。按照相關(guān)規(guī)范，使用有限元分析軟件Ansys對某廠生產(chǎn)的雙層旋轉(zhuǎn)木馬進(jìn)行了合理的簡化建模，并考慮了其使用過程中多種可能出現(xiàn)的載荷條件，對雙層轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)的各種極限工況進(jìn)行了靜力學(xué)三維有限元分析，找出了位移和應(yīng)力最大的危險(xiǎn)位置，確保設(shè)計(jì)滿足安全性能要求，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力依據(jù)。

雙層轉(zhuǎn)馬；有限元；靜力學(xué)

旋轉(zhuǎn)木馬是游樂場、廣場、公園、幼兒園等各類室內(nèi)外游樂場地中常見的機(jī)動(dòng)游樂設(shè)施，它的安全性是其最為被關(guān)注的性能。美國ASTM技術(shù)委員會(huì)更是提出了《游樂乘騎裝置和設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》對游樂乘騎裝置和設(shè)備的設(shè)計(jì)以及重大調(diào)整的具體規(guī)則進(jìn)行了詳盡的規(guī)定[1]。在工作過程中，旋轉(zhuǎn)木馬受風(fēng)載、乘客重量及其離心力、自重力等的影響。為了解雙層轉(zhuǎn)木馬關(guān)鍵承載構(gòu)件在設(shè)計(jì)工況下的受力情況及全面掌握這些構(gòu)件的受力特性，避免發(fā)生事故，并為設(shè)計(jì)合理性和安全鑒定提供科學(xué)依據(jù)，必須對其進(jìn)行受力分析，判斷其結(jié)構(gòu)是否能滿足剛度和強(qiáng)度要求，以保證其安全性。

下面，筆者以76人的雙層轉(zhuǎn)馬為例，在Ansys有限元分析軟件的平臺(tái)下進(jìn)行了分析，對無風(fēng)滿載、6級風(fēng)偏載、12級風(fēng)3種極限工況下的位移及應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。

1 雙層轉(zhuǎn)馬的有限元建模與載荷處理

1.1有限元建模

雙層轉(zhuǎn)馬一般由主機(jī)架、一層轉(zhuǎn)盤部件結(jié)構(gòu)、二層轉(zhuǎn)盤部件結(jié)構(gòu)和座車車架、座馬搖桿部件和輔助裝置等組成。建立雙層轉(zhuǎn)馬幾何模型(局部區(qū)域如焊接用連接板，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且不是關(guān)鍵承載零件，所以在建模過程中予以簡化)時(shí)，可采用板、梁和桿單元對各構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格離散，而后添加實(shí)常數(shù)的方式添加有限元參數(shù)；對梁單元而言，還必須注意保證截面主軸方向與實(shí)際一致。當(dāng)采用桿單元對構(gòu)件進(jìn)行模擬時(shí)，必須保證該構(gòu)件不能存在較大的橫向載荷，并且該構(gòu)件相對于相鄰的構(gòu)件而言剛度較小。

實(shí)際建模時(shí)，按照下述原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化：①對于桁架的大部分桿件而言，其截面尺寸相對于長度尺寸而言較小，可直接簡化為梁單元，在Ansys中采用beam4單元進(jìn)行網(wǎng)格離散，而后賦值相應(yīng)的截面常數(shù)；②對于部分承受較少橫向載荷的桿件，則離散為桿單元，即采用Ansys軟件中的link8單元進(jìn)行網(wǎng)格的離散，并且賦予各桿件相應(yīng)的截面實(shí)常數(shù)；③結(jié)構(gòu)中所用到面板均離散為板殼單元，即采用Ansys軟件中的shell63單元進(jìn)行網(wǎng)格離散后附厚度常數(shù)[2]。

1.2邊界約束及載荷處理

雙層轉(zhuǎn)馬主機(jī)架底板須與地下埋件固定以保證轉(zhuǎn)馬的穩(wěn)定。在計(jì)算過程中，約束主機(jī)架底板所有節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即近似認(rèn)為主機(jī)架與埋件之間采用剛性連接，埋件無位移。同樣對主機(jī)架的支承梁底部節(jié)點(diǎn)X、Y、Z向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束。由于一層轉(zhuǎn)盤下支架組件由轉(zhuǎn)盤定位輪座對X、Y、Z向位移和X、Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，僅保留Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。同理二層轉(zhuǎn)盤下支架組件的約束情況與一層轉(zhuǎn)盤下支架組件情況相同。

轉(zhuǎn)馬作為娛樂設(shè)施，在運(yùn)行時(shí)受多種載荷[3-4]的影響，主要如下：

1)自重 轉(zhuǎn)馬本身有重量，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮，對豎向施加加速度9.83m/s2，即以體力(Body Load)的方式雙層轉(zhuǎn)馬的結(jié)構(gòu)自重。

2)風(fēng)載 露天設(shè)備的大型桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮風(fēng)載荷。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》進(jìn)行風(fēng)載荷的計(jì)算：

Pw=CKhqA

(1)

式中，Pw為作用在機(jī)器上或物品上的風(fēng)載荷，N；C為風(fēng)力系數(shù)，此處取C=1.2；Kh為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，由公式Kh=(h/10)0.3計(jì)算，h為高度；q為計(jì)算風(fēng)壓，q=0.613v2，N/m2；A為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2。單片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積A=φA1，其中，A1為結(jié)構(gòu)或物品的外輪廓面積，m2；φ為結(jié)構(gòu)的充實(shí)率，由于實(shí)體結(jié)構(gòu)為型鋼制成的桁架，取φ=1。

在Ansys中施加風(fēng)載，以方向力的形式，將風(fēng)載數(shù)值分別平均到桁架結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面節(jié)點(diǎn)上。

3)乘客重量和離心力 乘客重量在計(jì)算中必須予以考慮。特別的，在6級風(fēng)作用下乘客只分布在轉(zhuǎn)馬的某一側(cè)時(shí)，還需要考慮人體重量偏載的離心力對轉(zhuǎn)馬機(jī)架的影響。

4)地震影響 對于受地震破壞影響的機(jī)械設(shè)備鋼機(jī)架，如其上無重型集中載荷，基礎(chǔ)又不在Ⅲ、Ⅳ類土場地(飽和松砂、淤泥和淤泥質(zhì)土、充填土、雜填土等)，在地震烈度小于或等于8時(shí)，不必校驗(yàn)地震破壞。

2 極限工況靜力特性分析

2.1無風(fēng)滿載工況

雙層轉(zhuǎn)馬在無風(fēng)滿載運(yùn)行工況下，需考慮結(jié)構(gòu)自重、乘客重量等因素，轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)總體位移情況如圖1所示，最大總體位移為9.202mm，位于第2層下支架4座座馬位置。轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布如圖2所示，最大應(yīng)力為75.294MPa，位于立柱上法蘭處，主要由于立柱與主機(jī)架的電機(jī)在轉(zhuǎn)馬一側(cè)作用造成。

圖1 滿載綜合位移分布 圖2 滿載綜合應(yīng)力分布

2.26級風(fēng)偏載工況

在6級風(fēng)偏載運(yùn)行工況下，考慮轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)自重、乘客重量及6級風(fēng)載等因素對轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)受力的影響。

轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)總體位移情況如圖3所示，最大總體位移為11.752mm，位于第2層下支架4座座馬位置。轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力為66.158MPa，位于主機(jī)架上法蘭處，主要由于立柱與主機(jī)架的電機(jī)在轉(zhuǎn)馬一側(cè)和半數(shù)乘客、6級風(fēng)偏載及乘客離心力作用造成。

圖3 6級風(fēng)載綜合位移分布 圖4 6級風(fēng)載綜合應(yīng)力分布

對轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)第2層轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的綜合位移與綜合應(yīng)力分析可知，轉(zhuǎn)馬總體最大位移在該層，如圖5所示；此層的最大應(yīng)力為53.773MPa，位于第2層轉(zhuǎn)盤主架組件的下法蘭處。對轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)主機(jī)架與立柱綜合位移與綜合應(yīng)力分析可知，其最大位移分布在立柱上法蘭位置，大小為1.661mm；最大應(yīng)力分布在主機(jī)架上法蘭位置處，大小為66.158MPa，如圖6所示。

圖5 6級風(fēng)載上支架綜合位移分布 圖6 6級風(fēng)載主機(jī)架與立柱綜合應(yīng)力分布

2.312級風(fēng)偏載工況

在12級風(fēng)下，轉(zhuǎn)馬應(yīng)處于非運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算時(shí)僅考慮結(jié)構(gòu)自重及12級風(fēng)載等因素對轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)受力的影響。經(jīng)過計(jì)算分析，轉(zhuǎn)馬最大總體位移為5.505mm，位于第2層上支架的外側(cè)位置，如圖7所示。轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布如圖8所示，最大應(yīng)力為76.11MPa，位于主機(jī)架上法蘭處，主要由于立柱與主機(jī)架的電機(jī)在轉(zhuǎn)馬一側(cè)和12級風(fēng)偏載作用造成。

圖7 12級風(fēng)載綜合位移 圖8 12級風(fēng)載綜合應(yīng)力

在12級風(fēng)情況下，轉(zhuǎn)馬總體最大位移在第2層轉(zhuǎn)盤，其綜合位移分布圖如圖9所示，這層的最大應(yīng)力為51.61MPa，位于第2層轉(zhuǎn)盤主架組件的下法蘭處；總體最大應(yīng)力分布在主機(jī)架上法蘭位置處，大小為76.111MPa，如圖10所示；經(jīng)分析轉(zhuǎn)馬結(jié)構(gòu)主機(jī)架和立柱綜合位移與綜合應(yīng)力分布圖知，最大位移分布在立柱上法蘭位置，大小為2.165mm。

3 結(jié) 論

1)雙層旋轉(zhuǎn)木馬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行有限元建模時(shí)可將非關(guān)鍵承載部件簡化以簡化整個(gè)雙層轉(zhuǎn)馬的三維有限元模型，提高計(jì)算分析的效率。

圖9 12級風(fēng)載上支架綜合位移分布 圖10 12級風(fēng)載主機(jī)架與立柱綜合應(yīng)力分布

2)雙層轉(zhuǎn)馬在各運(yùn)行工況下，其最大位移均發(fā)生在第2層轉(zhuǎn)盤處，而最大應(yīng)力則出現(xiàn)在主機(jī)架上法蘭處。因此，設(shè)計(jì)中可在保證各部件的強(qiáng)度條件下，適當(dāng)減小非關(guān)鍵部位的尺寸，以減小轉(zhuǎn)馬的自重。

3)三維有限元分析方法能使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段全面了解整個(gè)設(shè)計(jì)的應(yīng)力與位移的分布情況，避免設(shè)計(jì)失誤帶來的安全問題，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有力的依據(jù)。

[1]張榮忠.美國旋轉(zhuǎn)木馬和過山車游樂乘騎標(biāo)準(zhǔn)[J].標(biāo)準(zhǔn)生活，2009(7):49-57.

[2]趙經(jīng)文.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京: 科學(xué)出版社,2001.

[3]GB50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]熊丹安.建筑抗震設(shè)計(jì)簡明教程[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社,2006.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.047

TH133

A

1673-1409(2012)08-N143-04

2012-05-23

鄧明星(1980-)，女， 2003年大學(xué)畢業(yè)，碩士,講師，現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的教學(xué)與研究工作。

[編輯] 洪云飛