一種兒童秋千架的設計及ANSYS應力分析研究

王亮軍 郭永生

摘 要：通過用Pro/E軟件設計一種常見的兒童秋千架玩具，并且用ANSYS系統對它進行變形量及所受應力的分析，從而驗證設計的安全性。

關鍵詞：兒童秋千架；ANSYS；應力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.180

兒童秋千架是一種常見的兒童玩具，深受兒童喜愛。但是一些家長對兒童秋千架的安全問題也是有些擔憂，本文擬設計一種市場上常見的兒童秋千架并且應用Ansys軟件進行應力分析研究，從而打消家長的顧慮。

1 用Pro/E軟件進行建模

在三維實體造型軟件Pro/ENGINEER和有限元分析軟件ANSYS之間存在著模型數據交換困難的問題，為了實現兩大軟件集成環境，根據CAD/CAE系統間圖形交換的機制，通過理論和實踐研究，以目前主流應用的Pro/ENGINEER Wildfire2.0與ANSYS10.0為例，研究將Pro/E的模型數據轉入ANSYS中并劃分網格、進行有限元分析的轉換方案。提出了采用IGES、.ans和Pro/E-ANSYS接口3種可供實現的途徑分析討論了各自的優缺點。結果表明，采用Pro/E-ANSYS接口實現數據交換是最優辦法[1]。

這個兒童秋千架是放置于戶外的，假定將尺寸限定在240×180×150cm范圍內空間。用Pro/E軟件設計出如圖1所示的兩側A字形秋千架。

2 導入ANSYS系統進行分析

假設現在有多個小孩一起玩的搖籃式秋千，算4個小孩，每個40kg，計算的時候多加2個，取承重240kg，重力等于2400N，則一側承受載荷為1200N，則每側繩子對架子橫梁的拉力為1200N。如果秋千在擺動，則可以將這個拉力乘以一個動載荷系數，這里取2.1，則每側的拉力為2412N。具體分析如下：

基于ansys Workbench軟件對秋千鋼架結構進行了有限元分析。

載荷計算如上，秋千鋼架載荷為秋千上兒童載荷，假設重量為240kg，在秋千擺動過程中，通過考慮動載荷系數的形式，將繩索上的載荷乘以動載荷系數，首先通過受力分析計算出秋千靜止時刻繩索上的載荷，其大小為1200N，考慮到一定的安全系數，動載荷系數取2.1，則秋千上的兩側繩索的拉力分別為2412N。

首先在三維模型中建立秋千整體模型，在有限元分析中只考慮秋千鋼架的模型，未考慮繩索的幾何模型，而是將載荷直接等效施加在鋼架結構上。雖然在實際情況下繩索也會發生斷裂破壞，但是大部分情況下繩索的破壞都是長期的磨損導致的，而不是繩索的一次性拉斷破壞，在我們的結構設計中，對于繩索的選型都做過嚴格的計算，而且留有一定的安全系數，從而避免了繩索的一次性破壞。那么繩索的磨損破壞和繩索系的不牢靠導致的滑落等情況很難通過有限元來實現，所以我們在設計中除了留有一定的安全系數外，還要求現場維護人員定期檢查繩索，如有明顯磨損和滑落需要進行維護或更換，而且對繩索的維護和更換也相對方便，所以此處我們認為繩索已經滿足要求，在有限元分析中只考慮鋼架結構，校核鋼架結構在秋千擺動過程中是否滿足強度要求，因為鋼架結構為主要承載結構，同時鋼架結構一旦安裝，大都為永久性的，沒法做到更換，除非秋千整體報廢。所以以下采用有限元結構對秋千的鋼架結構進行分析及優化。秋千鋼架結構材料為結構鋼，其彈性模量為2.1e11pa，泊松比為0.。將秋千鋼架結構的幾何模型文件另存為IGES文件并且導入ANSYS軟件中，進行有限元網格劃分。網格模型如下所示，網格總數為31633，節點總數為65044。鋼架結構的應力云圖和位移云圖如圖2所示：

結構最大變形為4.5164mm，橫梁總長2000mm，變形大小只有長度的0.2%，所以橫梁的變形認為滿足剛度要求。

鋼架結構的最大等效應力為189.56MPa，材料為Q235，屈服極限為235MPa，此時安全系數為1.24，最大等效應力發生在橫梁和支架的焊接位置，這與實際情況吻合，大多數秋千鋼架的破壞都是該處的焊接脫落導致整體破壞。

3 結論

經過Pro/E軟件的精確建模，以及導入ANSYS軟件進行分析兒童秋千架的變形量以及所受到的最大應力，發現變形量在安全范圍，最大應力小于屈服極限。而且本文假設的是秋千架超載的情況，這種情況商家應該在產品上貼有提示語提醒使用者避免6個兒童一起使用秋千架，即實際應用中一般不會出現文中假設的情況。所以這種設計是絕對安全的，家長們盡可以放心。

參考文獻：

[1]林建冬，原思聰，鄭建校.基于Pro/E與ANSYS的CAD/CAE數據交換方法研究 [J].工程機械，2007（08）：32-36.