游樂設備挑臂梁設計及其結構優(yōu)化分析

劉勇 王志明

摘 要：將計算機輔助工具應用于現(xiàn)代游樂設備的結構設計中已經成為一種主流趨勢。在社會經濟發(fā)展水平不斷提高的背景下，人們對游樂設備的設計需求不斷提升，在關注設備外形美觀的基礎上更加關注設備本身的安全性。本文以大型游樂設備挑臂梁設計和結構優(yōu)化為切入點，綜合運用各種軟件，對其結構進行優(yōu)化和仿真分析，旨在在實例分析的基礎上獲取最佳參數，形成新的結構優(yōu)化思路。

關鍵詞：游樂設備 挑臂梁設計 結構優(yōu)化

引言：

在我國社會經濟發(fā)展水平不斷提高的背景下，人們的物質生活和精神生活都得到了極大滿足，尤其是對精神文化的追求逐漸提高。在這一需要的影響下，以游樂場為代表的游樂環(huán)境成為人們休閑娛樂的主要場景，游樂設備越來越得到人們的歡迎，逐漸成為人們精神放松和壓力排解的主要途徑。隨著人們對精神生活的追求不斷提高，舊的游樂設備已經不能滿足他們的精神需要，新型游樂設備相繼出現(xiàn)。但是，這些游樂設備在給人們帶來驚險刺激的體驗的同時，也帶來了很大安全隱患，安全事故的發(fā)生率與日俱增。對此，提高游樂設備的設計水平，優(yōu)化設備結構成為游樂產業(yè)發(fā)展不得不考慮的問題當前，我國游樂設備在設計環(huán)節(jié)中存在功利性強和設計不嚴謹等問題，特別是嚴重忽視安全問題，使得設備的安全性能較低。因此，優(yōu)化游樂設備結構，對其進行科學設計尤其重要。

一、關鍵零部件的結構設計

“升降飛碟”是現(xiàn)在游樂場中比較常見的大型游樂設備，它的結構設置相對復雜。“升降飛碟”在啟動時，懸臂梁能夠呈順時針高速旋轉，游客在這種上升和下降個過程中能夠有一種置身于宇宙空間的體驗。對于“升降飛碟”來說，在對其懸臂梁的結構設計時，首先要考慮其結構尺寸的具體參數，并科學的對相關重要零部件的尺寸進行調節(jié)。一般說來，在選擇油缸尺寸結構時，要結合實際情況進行分析，找到合適尺寸的油缸。“升降飛碟”屬于動力屬性復雜、安全要求較高、結構強度大的大型游樂設備，通常會使用液壓系統(tǒng)作為其主要驅動力量，只有這樣，才能使“升降飛碟”在較大范圍內實現(xiàn)無極調速，同時保證運行的穩(wěn)定性，并且在連續(xù)的轉向運動中可以最大限度的降低振動，所以，液壓油缸是一個比較明智和穩(wěn)妥的選擇。另外，對于油缸的安裝，主要涉及耳板銷軸和支座結構的選擇問題，耳環(huán)支座是液壓油缸的主要銜接部件。

二、三維建模與結構優(yōu)化

當前，信息技術飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的手工計算方式已經逐漸被機械結構設計所取代，設計流程也更加全面和完善，實現(xiàn)了進一步的優(yōu)化。一般說來，優(yōu)化機械設計主要是指按照標準的設計需求，借助計算機技術或者其他輔助工具來對可控變量進行建模，或者進行自動設計，并在此基礎上選擇最佳的設計方案。現(xiàn)階段，SolidWorks和UG等計算機輔助軟件設計平臺已經先后在建筑工程、航空航天和機械設計等領域進行了推廣和使用[1]。應用參數化設計理念，不但可以對問題部件進行有效的優(yōu)化和改進，還能根據機械部件的尺寸調整其整體結構，使得設計周期縮短、設備結構也更加合理，從而達到了降低成本的效果。

（一）挑臂梁三維建模

一般說來，箱梁結構自身重量較小，并且工藝結構比較簡單方便，具有較強的承載能力，所以，選擇箱梁結構作為挑臂梁的基本架構是十分合理的。上文中提到的“升降飛碟”這一大型游樂設備的挑臂梁設計主要使用了厚度達到10毫米的鋼材，并對鋼材進行焊接處理。由于，在游樂設備啟動和運行環(huán)節(jié)中，液壓油缸和挑臂梁的接口處受力最為嚴重，所以，要想對設備在運行過程中的水平應力進行有效分擔，加強挑臂梁結構的穩(wěn)定性，提升強度結構，就需要在二者銜接的地方加裝吊耳裝置對載荷進行分擔。在SolidWorks軟件的輔助支持下，我們可以對游樂設備挑臂梁進行整體建模。

在高速運行過程中，游樂設備很容易變形，使得其結構強度發(fā)生變化，進而帶來安全問題，所以，在挑臂梁內部加裝隔板很有必要，這樣可以強化挑臂梁的強度，防止因油缸推力過大而發(fā)生變形的現(xiàn)象。結合這類設備的具體應用情況，我們可以使用12毫米厚的隔板來對內部強度進行優(yōu)化。另外，為了防止因高速運轉損壞零部件事件的發(fā)生，還要對耳板連接件進行加固處理，通常可以使用注銷緊固螺栓來固定耳板。

（二）挑臂梁結構優(yōu)化設計

結構優(yōu)化設計主要是指在設備的基本功能得到保障的前提下，通過調整相關零部件參數和對其結構進行優(yōu)化設計來提高游樂設備的整體效益。進行機械結構優(yōu)化，能夠進一步降低成本和能耗，提高生產效率，還能提升其結構強度。在這里可以使用SolidWorks軟件對游樂設備的結構進行優(yōu)化設計。首先，要構建一個合適的模型，即對優(yōu)化結構進行建模，在正確的算法下對相關函數實施迭代計算，然后對此進行整合，選出最佳的設計方案。在這里，優(yōu)化機械結構模型需要從以下三個方面考慮，即設計變量、設計目標函數和約束條件。其中設計變量作為機械結構優(yōu)化的基礎要素，主要指通過對設計變量進行調節(jié)來觀察計算結果的差異性，從而獲得最有模型參數，比如，機械結構的角度和長度等[2]。目標函數指最終形成的優(yōu)化目標；約束條件指的是在計算控制變量的過程中對模型狀態(tài)的數據實施限制，比如位移距離和應力強度等。以“升降飛碟”這一游樂設備為了，在對其進行優(yōu)化設計時，首先需要對挑臂梁的有限元進行分析，然后確定約束條件，計算出應力和變形情況，最后，使用數學模型進行更加深入的分析，并找出存在的安全隱患和可以進行優(yōu)化的項目，從而得出計算結果并進行適當調整。這里的靜力學分析需要實現(xiàn)穿件新的算例，然后選擇應用材料，在此基礎上添加夾具變量，最終定義網絡參數。通過對挑臂梁進行靜力學分析，我們可以生成新的算例并以挑臂梁的幾何特征作為主要參數。

三、結語

綜上所述，本文通過以“升降飛碟”這一大型游樂設備的挑臂梁設計作為參考，在設定原始參數的基礎上，結合游樂設施設計理論和設計需求，對這種游樂設備的挑臂梁設計進行結構優(yōu)化，然后對其中的各種零部件進行重新建模，從而有效的縮短了設計周期。在這一過程中通過使用SolidWorks軟件，對游樂設備的結構進行靜力學和動力學分析，活動最佳的參數組合方案，使其能夠更好的滿足國際化要求。

參考文獻：

[1] 倪寶偉，華新，周青.關于大挑臂橋墩蓋梁簡化模型的精度驗證[J].上海公路，2016，（12）：165-168.

[2] 梁紹佺.淺析大型游樂設施的虛擬仿真分析方法[J].中國科技博覽，2016，（16）：172.

作者簡介：劉勇 ，男，1989年2月出生 ，本科學歷， 深圳華僑城卡樂技術有限公司， 機械設計工程師， 研究方向：游樂設施結構設計。

王志明，男，1987年7月出生 ，大專學歷 ，深圳華僑城卡樂技術有限公司， 機械工程師， 研究方向：游樂設施結構設計。