基于midas NFX 某游樂設備的結構分析設計

黃建文 浙江巨馬游藝機有限公司

基于midas NFX 某游樂設備的結構分析設計

黃建文 浙江巨馬游藝機有限公司

游樂設備作為事關大眾的特種設備，引入有限元分析可以最大程度保證設計的安全可靠，為游樂設施的開發開辟了新篇章[1]。本文利用著名的全中文有限元分析軟件midas NFX 對某型游樂設備進行詳細的設計計算，考慮各種載荷自重、離心力、風載、地震載荷等及組合，模擬運行和非運行狀態下的受力，并計算出結果。結果表明設計結構符合設計要求，有限元在游樂設備中應用更方便，分析結果更全面，更適合于象游樂設備此類特種設備的分析計算。

1 分析計算

1.1 大臂有限元分析

本項目采用全中文有限元分析軟件midas NFX[2-3]進行計算分析。midas NFX具有豐富的國標材料數據庫，自動生成報告書、快速建模等特色功能有效地促進建模及分析速度，提高產品設計效率。

●1.1.1 模型

大臂是本設備的主要結構，包括旋轉座、承重臂、配重臂、座艙臂等部分，模型如圖1所示。

●1.1.2 網格及材料特性

考慮大臂的結構，主要采用板單元，厚度參考設計尺寸。

材料采用Q235B，彈性模量2.06x105MPa，密度7850kg/m3，屈服強度235MPa，抗拉強度400MPa，直接從材料數據庫中選擇相應的材料。

●1.1.3 約束邊界

根據實際情況定義分析模型的邊界條件：回轉支承相對應螺栓孔和旋轉中心剛接，旋轉中心固定約束，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，由程序計算；按大臂所處位置分2種，底部時受垂直向下的自重即Y向，水平時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。

2）座艙給大臂之座艙臂立桿的力

游樂設備在運行時，大臂還受到座艙的作用力，作用力計算見表1。

3）離心力

離心力包括大臂自身及座艙和乘客產生的，兩者計算方法分別：大臂的離心力由程序計算，轉速15.5r/min，座艙、乘客的離心力包括在“座艙給大臂的力”。

表1 座艙對大臂的作用力（全局坐標系）

4）風載荷

根據《建筑結構載荷規范》[5]風載荷標準值，風載荷按下面公式計算:

式中:wK——風載荷標準值（kN/m2）

βZ——Z高處的風振系數

μs——風載荷體型系數

μz——風壓高度變化系數

w0——基本風壓（kN/m2）

設備高度19m, 自振周期：0.013×19=0.247s,查有關規范，風載荷標準值分考慮運行狀態和非運行狀態兩種，計算如下詳述。

表2 運行狀態下風載表

基本風壓按50年一遇進行選取，取基本風壓為0.85kN/m2，則可以覆蓋全國絕大部分地區，于是非工作狀態下的風載荷為見表3。

表3 非運行狀態下風載表

5）地震載荷對設備的作用

本設備適宜按照丙類建筑抗震設計，根據《建筑抗震設計規范》[6]相關要求，丙類建筑應符合本地區抗震設防烈度的要求。因此，按照使用區域覆蓋范圍。本設備抗震設防烈度取8級。8級地震對設備產生的水平加速度aV=0.3g=2.943m/s2。

地震載荷計算公式為:T=G0·aV

式中:T——地震載荷（水平方向）kN;

G0——結構自重,t;

aV——地震波產生的水平加速度,m/s2;

地震荷載由程序自動計算。

●1.1.5 荷載組合

依據設計規范進行載荷組合，載荷組合表見表4。

表4 載荷組合表

●1.1.6 計算結果

1) 底部位置滿載狀態

底部位置滿載狀態時最大應力約為39.6MPa,發生在大臂加強桿連接位置，如圖3所示。

圖3 大臂加強桿連接處應力云圖

2）水平位置滿載狀態

水平位置滿載狀態時最大應力約為68.7MPa,發生在大臂旋轉位置附近，如圖4所示。

圖4 大臂旋轉處應力云圖

3）底部位置偏載狀態

底部位置偏載狀態時最大應力約為32.0MPa,發生在大臂加強桿連接位置，如圖5所示。

圖5 底部位置偏載時的應力云圖

4）水平位置偏載狀態

水平位置偏載狀態時最大應力約為66.3MPa,發生在大臂旋轉位置附近，如圖6所示。

圖6 水平位置偏載時的應力云圖

5）大風狀態

大風狀態時最大應力約為93.4MPa,發生在大臂旋轉位置附近，如圖7所示。

圖7 大風狀態大臂旋轉處應力云圖

6）地震狀態

地震載狀態時最大應力約為56.6MPa,發生在大臂旋轉位置附近，如圖8所示。

圖8 地震載大臂旋轉處的應力云圖

●1.1.7 結果分析

1）運行狀態：

底部位置滿載狀態最大應力39.6Mpa

水平位置滿載狀態最大應力68.7MPa

底部位置偏載狀態最大應力32.0MPa

水平位置偏載狀態最大應力66.3MPa

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

2）非運行狀態

大風狀態最大應力93.4MPa

地震狀態最大應力56.6MPa

最大應力為大風狀態，最大應力93.4MPa，安全系數為235/93.4=2.52>1，滿足“GB8408-2008游樂設施安全規范”的要求。

1.2 座艙有限元分析

●1.2.1 模型

對座艙進行細部建模分析，模型如圖9所示。

圖9 座艙模型圖

●1.2.2 網格及材料特性

依據結構特點，主要采用板單元，厚度按照圖紙。

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，屈服強度235MPa，抗拉強度400MPa。

●1.2.3 約束邊界

立桿頂部和旋轉中心剛接，旋轉中心固定約束。

●1.2.4 加載

1）自重

（1）座艙的自重按模型，由程序計算；按座艙所處位置分2種，底部時受垂直向下的自重即Y向，水平時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。

（2）乘客的自重

座艙在底部時，自重作用在座板上700N/人；座艙處于水平位置時，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算，轉速15.5r/min

（2）乘客的離心力為：

作用在座艙座板上。

3）風載荷

與大臂計算類似，在此省略。

4）地震載荷對設備的作用

與大臂計算類似，在此省略。

●1.2.5 荷載組合（見表5）

表5 荷載組合

●1.2.6 計算應力云圖

1）底部位置滿載狀態

底部位置滿載狀態時最大應力約為63.4MPa,發生在座艙加強筋位置附近，如圖10所示。

圖10 底部滿載時應力云圖

2）水平位置滿載狀態

水平位置滿載狀態時最大應力約為54.2MPa,發生在座艙加強筋位置附近，如圖11所示。

圖11 水平位置滿載時應力云圖

3) 底部位置偏載狀態

底部位置偏載狀態時最大應力約為61.2MPa,發生在座艙加強筋位置附近，如圖12所示。

圖12 底部位置偏載時的應力云圖

4）水平位置偏載狀態

水平位置偏載狀態時最大應力約為52.6MPa,發生在座艙加強筋位置附近，如圖13所示。

圖13 水平位置偏載時應力云圖

5）大風狀態

大風狀態時最大應力約為93.9MPa,發生在座艙橫支撐頂部位置附近，如圖14所示。

圖14 大風狀態座艙支撐頂部應力云圖

6）地震狀態

地震狀態時最大應力約為9.4MPa,發生在座艙加強筋位置附近，如圖15所示。

圖15 地震狀態座艙加強筋處應力云圖

●1.2.7 結果分析

1) 運行狀態

底部位置滿載狀態最大應力63.4MPa

水平位置滿載狀態最大應力54.3MPa

底部位置偏載狀態最大應力61.2MPa

水平位置偏載狀態最大應力52.6 MPa

最大應力為底部滿載狀態，最大應力63.4MPa，安全系數為400/63.4=6.31>3.5，滿足“GB8408-2008游樂設施安全規范”的要求。

2）非運行狀態

大風狀態最大應力94MPa

地震狀態最大應力9.4MPa

最大應力為大風狀態，最大應力94MPa，安全系數為235/94=2.5>1，滿足“GB8408-2008游樂設施安全規范”的要求。

2 優化分析

從大臂和座艙的演算結果來看，這個設備設計偏于保守，大部分結構具有較大的優化空間。考慮結構承載作用的大小不同，分別對大臂內部加強筋、主體結構、座艙的部分連接結構、主體結構等進行尺寸減薄優化。同樣地，利用midas NFX進行優化分析，分析結果表明結構應力水平并未發生明顯的提高，減重效果明顯，而且符合設計要求。

3 結論

綜上所述，有限元軟件可以詳細獲得游樂設備金屬結構任一點的應力和撓度，通過負載組合，可以快速計算出不同狀態下的剛度和強度值。

有限元方法對游樂設施金屬結構的計算更全面，能夠處理更復雜的計算模型，考慮更多的實際工況，因此是產品開發和設計中的有效工具。

2013－11－15）