游樂設備挑臂梁設計及其結構優化

花志雄

摘要：本文結合筆者在蘭州萬達城開發有限公司中的工作實踐，以自控飛機類游樂設備中的“升降飛碟”設備為例，將其中的懸挑梁結構的參數調整為高度為240毫米、寬度為220毫米、質量為309.125千克。并對優化后的挑臂梁結構展開虛擬樣機檢驗，結果為：在結構優化設計后，挑臂梁自重降低，且該結構的安全系數與強度均達到自控飛機類游樂設施的設計標準要求。

關鍵詞：游樂設備;挑臂梁;虛擬樣機檢驗

1.游樂設備概述

當前，游樂設備的種類更為多樣，本研究主要選取了自控飛機類游樂設備中的“升降飛碟”設備為對象。根據《自控飛機類游樂設施通用技術條件》（GB/T 18163-2020）中的相關規定，確定出升降飛碟設備的基本設計參數如下所示：乘員數量為4;載重量為250千克;挑臂梁長度為4875毫米;回轉直徑不低于10;升降角度為30°;驅動形式為液壓油缸;挑梁形式為碳素合金鋼（Q235B）。

在模擬運行中，可以將乘客與座椅視為一個整體。在升降飛碟設備運行中的，該結構整體（乘客+座椅）會受到重力與離心力的影響，這些力需要挑臂梁承受。同時，座椅在升降飛碟設備運行時還對發生位置變化，因此相應的受力也發生改變。結合上述參數，可以計算得出升降飛碟設備上升至30°時，乘客與座椅結構整體所產生的離心力為770N;根據平衡方程，得到在升降飛碟設備上升至最高點時，連接處受到的應力最大達到12450N。

2.游樂設備挑的臂梁三維建模與優化設計

2.1挑臂梁結構三維建模

出于對滿足承載以及減輕自重的雙重考量，本次設計中選用8毫米厚度的鋼板焊接成挑臂梁，并在其上方設置可以連接油缸的吊耳。受力最大的區域為油缸與挑臂梁吊耳連接處所承受的力，因此在油缸與腹板連接區域設置弧形吊耳裝置，能夠在保證挑臂梁承受較大荷載的基礎上實現應力分散。為了避免油缸推力過大的問題發生，降低挑臂梁腹板產生變形的概率，在本次設計中引入了挑臂梁內部擱板結構。設計中，選用了橫向隔板，厚度控制在10毫米。本升降飛碟設備中的挑臂梁高度為240毫米，因此在相應下腹板區域內設置4個橫向隔板。為了進一步避免挑臂梁變形，同時引入了橫隔板，控制相鄰橫隔板之間的間距為300毫米。

在進行懸臂梁的三維建模過程中，使用的軟件為SoildWorks，結合拉伸、切除等命令操作完成挑臂梁的實體建模[1]。

2.2優化設計

本次升降飛碟設備的挑臂梁優化設計中，主要引入的要點內容如下所示：控制挑臂梁兩端軸孔之間的中心距保持穩定，參考挑臂梁高度、寬度、板材厚度變量，完成其長度范圍的分別定義，將步長設定為1毫米;為了確保升降飛碟設備中挑臂梁結構的最小安全系數不低于3.5，需要將相應結構所承受的應力設置為67MPa;本次結構優化設計的主要目標為保證挑臂梁承載力滿足要求的基礎上降低結構自重，因此主要將挑臂梁質量最小化設定為優化設計目標。

總體來說，在挑臂梁結構的高度穩定在240毫米、寬度穩定在220毫米、壁厚穩定在6毫米的條件下，最大應力達到56.014MPa，相比于材料屈服強度（235MPa）更小。相對應的，結構自重有所下降，由原有的366.067千克降低至301.174千克。同時，優化后的挑臂梁結構最小安全系數為4.2，滿足不低于3.5的要求。

2.3吊耳結構的確定與優化

為了避免發生應力集中的問題，在本次設計中主要經耳板設計為類似于扇形的形狀。同時，出于對挑臂梁強度的考量，對耳板結構展開優化設計，具體有：在耳板長度穩定在608毫米、耳板外圓半徑穩定在109毫米、耳板左側鋼板與水平夾角為50°的條件下，耳板所受的最大應力達到58.514MPa，相比于材料屈服強度（235MPa）更小。

在挑臂梁結構中，耳板腹板位置所受的應力最大，由于箱梁腹板承受較大壓力容易失穩，因此在本次設計中主要在挑臂梁內部焊接加強筋板，以此達到分散應力、增加挑臂梁結構穩定性的效果。設計中，在挑臂梁吊耳附近區域加焊了4個厚度為l0毫米的強筋板，實現挑臂梁強度的進一步增強。

2.4標準件的應用

在升降飛碟設備懸挑梁的結構設計中，使用的零件大多為標準件，因此在建立結構三維模型的過程中，可以直接從標準件庫中調取標準件數據，降低挑臂梁結構三維建模的時長，提升結構設計效率。在本次設計中，選用的軟件為SoildWorks，其中包含著螺母、螺栓與螺釘、軸承、密封件、異形孔向導孔等標準件參數，在實際的設計過程中由“設計庫”中直接調取即可。

3.結構優化設計的虛擬樣機檢驗

3.1虛擬樣機檢驗

使用CAD軟件建立起相應挑臂梁結構虛擬模型，展開虛擬樣機檢驗，確定升降飛碟運行中挑臂梁結構可能會發生的問題，實現對相應結構的進一步改進，明確優化設計后的結構穩定性與可靠性[3]。在虛擬樣機檢驗中，輸入的升降飛碟挑臂梁結構優化參數為：挑臂梁高度為240毫米、挑臂梁寬度為220毫米、挑臂梁質量為309.125千克。還要輸入升降飛碟設備挑臂梁結構優化前的參數，形成優化設計前模型，相應參數具體為：挑臂梁高度為250毫米、挑臂梁寬度為230毫米、挑臂梁質量為400千克。

同時，在設定動力學參數的過程中，落實的要點為：挑臂梁鋼材的型號為Q-235B，根據挑臂梁結構的優化設計后質量，確定“乘客+座椅”結構的質量為300千克;設定引力方向為豎直向下，大小為12m/s2;設定零部件之間的接觸類型為實體接觸。另外，將升降飛碟設備挑臂梁結構的仿真模擬運行時間設定為20秒，并將Motion分析時每秒幀數設定為25。基于上述條件，構建挑臂梁結構優化設計前后的虛擬模型，分別進行仿真運行，并對比兩模型運行的最終數據結果。

3.2結果分析

經過仿真模擬運行，得到的升降飛碟設備挑臂梁關鍵部位受力數據如下所示：在優化設計前，挑臂梁軸端受力X方向為7990N、Y方向為11067N、Z方向為753N;油缸對懸挑梁的作用力X方向為21118N、Y方向為17845N;座椅對梁的作用力X方向為14963N、Y方向為4458N、Z方向為503N。在優化設計后，挑臂梁軸端受力X方向為3200N、Y方向為6875N、Z方向為731N;油缸對懸挑梁的作用力X方向為19268N、Y方向為13799N;座椅對梁的作用力X方向為12767N、Y方向為3911N、Z方向為515N。

依托上述數據結果能夠了解到，在結構優化設計后，升降飛碟設備的挑臂梁關鍵部位受力最大值較假定分析時表現出更小的結果，且挑臂梁質量較小，保證了挑臂梁結構在質量較小的同時所受應力較小的設計要求;在完成挑臂梁結構的優化后，升降飛碟設備的挑臂梁質量較假定的挑臂梁質量相差22.70l，在允許誤差范圍內。優化后的挑臂梁的質心位置為（2565.651，-52.519 0），與假定挑臂梁質心位置相差較小，符合要求。

綜合來說，經過優化設計后，升降飛碟設備挑臂梁結構的自重降低，結構運行可靠性與穩定性提升，關鍵點受力降低，該結構的安全系數與強度均達到自控飛機類游樂設施的設計標準要求。

總結：綜上所述，使用SoildWorks軟件對升降飛碟設備中的懸挑梁結構展開三維建模與優化設計，將懸挑梁結構的參數調整為挑臂梁高度為240毫米、挑臂梁寬度為220毫米、挑臂梁質量為309.125千克。經過基于CAD軟件的虛擬樣機檢驗，得到的仿真運行結果為：在結構優化設計后，挑臂梁質量較小，保證了挑臂梁結構在質量較小的同時所受應力較小的設計要求;經過優化設計后，挑臂梁關鍵點受力降低，相應結構的安全系數與強度均達到自控飛機類游樂設施的設計標準要求。