沖天大回旋有限元分析

徐　偉，王文靜，黃迎春

（大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023）

沖天大回旋有限元分析

徐偉，王文靜，黃迎春

（大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023）

對(duì)沖天大回旋這種設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的工況分析，借助有限元軟件ANSYS對(duì)其危險(xiǎn)工況下的危險(xiǎn)位置進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，并通過有限元中提取的力進(jìn)行立柱的穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

沖天大回旋；有限元；結(jié)構(gòu)分析

沖天大回旋是水滑梯的一種，也是最受歡迎的大型滑梯之一。對(duì)于有人參加活動(dòng)的設(shè)備，需要對(duì)其安全性、穩(wěn)定性進(jìn)行更加細(xì)致的分析，避免發(fā)生意外。有限元是近年來計(jì)算的一個(gè)有效的工具，它能夠模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力，模擬現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)而計(jì)算出現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

本文以沖天大回旋這種水滑梯進(jìn)行詳細(xì)分析，通過ANSYS軟件對(duì)其危險(xiǎn)工況下的危險(xiǎn)位置進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，并通過有限元中提取的力進(jìn)行立柱的穩(wěn)定性分析。

1　模型建立

沖天大回旋為高空高速滑梯，以多人組合形式借助滑具從高空塔臺(tái)進(jìn)入滑道，借助重力及水流作用，滑具來回?cái)[動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段俯沖后至滑道最低點(diǎn)，然后借助巨大的慣性由最低點(diǎn)升至最高點(diǎn)，最后急速下滑至水平段。

沖天大回旋主要由鋼架、皮筏提升機(jī)、基礎(chǔ)以及滑道組成，其中基礎(chǔ)包括平臺(tái)基礎(chǔ)以及水池，鋼架共有40個(gè)高度不同的立柱組成，滑道由曲線形狀的玻璃鋼組成。

立柱及立柱上的腹桿采用的是Beam 188梁單元建立，滑道采用Shell 181板殼單元建立，單元網(wǎng)格尺寸為100 mm.整體模型如圖1所示，模型共有單元42 238個(gè)，節(jié)點(diǎn)42 357個(gè)。

圖1　整體模型

2　模型載荷施加

2.1載荷及工況分析

零件強(qiáng)度、剛度計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮下列載荷組合：永久載荷、乘客、水載荷、慣性力、風(fēng)速小于等于15 m/s的風(fēng)載荷共5種載荷［1-2］。如表1所示。

表1　載荷組合（1）工況列表

2.2載荷施加方法

永久載荷在有限元中施加的方式是加速度的方式，在原有模型的重量基礎(chǔ)上均布增加到實(shí)際重量，即改變各部件的加速度以使各部件的重量與實(shí)際重量相符，方向?yàn)樨Q直向下，需要乘以沖擊系數(shù)。如圖2.

圖2　載荷施加圖

乘客載荷在有限元中施加的方式是以集中力的形式加在長度為1 m的滑道上，根據(jù)實(shí)際要計(jì)算的位置進(jìn)行確定，方向豎直向下，需要乘以沖擊系數(shù)。

水載荷在有限元中施加的方式是均布載荷，在整個(gè)滑道上施加水載荷，方向?yàn)榇怪被婪较颍枰艘詻_擊系數(shù)。

慣性力在有限元中施加的方式是集中力的形式加載在計(jì)算的點(diǎn)上，方向與運(yùn)行方向相反。

風(fēng)載荷以力的方式根據(jù)不同高度風(fēng)載荷大小施加在每段高度的所有零部件上，方向分為x向和z向。沖擊系數(shù)選為2.

3　算例分析

滿載工況下對(duì)沖天大回旋進(jìn)行計(jì)算，選取加速度最大，速度最大的位置作為最危險(xiǎn)工況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力為98.8 MPa，（有限元中計(jì)算結(jié)果為kPa，此處已經(jīng)轉(zhuǎn)換為MPa，下同），位置在靠近起始點(diǎn)的第一根立柱上端，腹桿位置，其最大應(yīng)力位置如圖4所示，滑道的最大應(yīng)力為38.5 MPa，位置在第二個(gè)環(huán)形拐彎的位置，其它各處應(yīng)力均小于30 MPa，如圖5所示。最大位移為29.7mm，屬于局部變形，整體變形圖如6所示。

圖3　整體應(yīng)力云圖

圖4　立柱應(yīng)力云圖

上述是最危險(xiǎn)工況下的最危險(xiǎn)位置的計(jì)算，其安全系數(shù)見表2中工況1-6，危險(xiǎn)工況下其它位置也進(jìn)行計(jì)算，將滿載工況的各位置處的強(qiáng)度及剛度安全系數(shù)列表如表2所示。

表2　滿載工況各位置安全系數(shù)匯總

根據(jù)上述表格可以看出，危險(xiǎn)工況下各處的立柱的強(qiáng)度、滑道的強(qiáng)度、整體的剛度都滿足文獻(xiàn)［1］的要求。

4　穩(wěn)定性分析

根據(jù)計(jì)算提取受力，如表3所示，立柱序號(hào)與圖7中立柱序號(hào)一一對(duì)應(yīng)

表3　各立柱最大受力表

圖7　立柱序號(hào)圖

由于立柱長度較長，考慮是否會(huì)存在失穩(wěn)問題，因此不同立柱其壓桿柔度為：

式中：

μ為長度因數(shù)，兩端鉸支取1；

l為長度，單位mm；

i為慣性半徑，單位mm.

則立柱的壓桿柔度分別為：

式中：

λ0為柔度最小值，材料為Q235，取61；

λp為柔度最大值，材料為Q235，取100.

對(duì)于立柱1，由于大于柔度最大值，因此采用的是歐拉公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

E為彈性模量，取2.1×105MPa；

I為慣性矩，單位mm4.

由于其它立柱介于柔度最大值和最小值之間，因此需要采用直線型公式校核其穩(wěn)定性，首先計(jì)算其臨界力：

式中：

a為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，Q235材料取304 MPa；

b為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，Q235材料取1.12 MPa；

因此立柱的穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中：

nw為穩(wěn)定安全因數(shù)，金屬結(jié)構(gòu)中的壓桿取1.8-3；因此立柱的穩(wěn)定性滿足要求。

5　結(jié)束語

對(duì)于沖天大回旋而言，由于工況較多，因此采用有限元計(jì)算方法方便快捷，能夠更迅速的獲取結(jié)構(gòu)的受力，因此有限元法更利于沖天大回旋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

［1］GB8408-2008，游樂設(shè)施安全規(guī)范［S］.

［2］GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范［S］.

Towering Rroundabout Finite Element Analysis

XUWei，WANGWen-jing，HUANG Ying-chun
（Dalian yiliya Construction Machinery Co.，Ltd.Liaoning Dalian 116023，China）

The towering roundabout this equipment the detailed condition analysis，with the help of finite element software ANSYS in the dangerous conditions dangerous position strength and stiffness analysis，and through finite element extraction force were pillar stability analysis and calculation results meet the relevant standards，shows that the structure designed tomeet design requirements.

finite element analysis；towering roundabout；structure

TU312

A

1672-545X（2016）06-0080-04

2016-03-15

徐偉（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。