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近些年，越來越多的大型主題游樂園在城市中建成，其中最主要的設(shè)備就是游藝機(jī)。因游藝機(jī)具有較強(qiáng)的游客參與性和人機(jī)互動(dòng)性，一旦發(fā)生事故會(huì)造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失，因此要求其設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、維修、使用、檢測檢驗(yàn)等七個(gè)環(huán)節(jié)必須在特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門的安全監(jiān)察之下，其中對生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)文件要求必須由經(jīng)核準(zhǔn)的技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鑒定。目前研究游藝機(jī)復(fù)核的文獻(xiàn)相對較少，有關(guān)機(jī)構(gòu)對游藝機(jī)復(fù)核的工作大多采用傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算的方式，存在周期長、工作量大的弊端，下面就以“雙人飛天”游藝機(jī)主臂強(qiáng)度校核為例，通過對比傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與使用有限元分析軟件的計(jì)算結(jié)果來闡述ANSYS用于設(shè)計(jì)復(fù)核的可行性，使校核工作方便快捷的進(jìn)行，以供大家參考。
雙人飛天游藝機(jī)是一種繞可變傾角軸低速旋轉(zhuǎn)的游樂設(shè)備，設(shè)備的升降及旋轉(zhuǎn)由程序通過液壓系統(tǒng)控制。某型號(hào)雙人飛天游藝機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。主要由基礎(chǔ)、主臂、懸臂、中心傳動(dòng)架，吊椅部件、支撐架及液壓系統(tǒng)等組成。游藝機(jī)的吊椅通過懸臂與中心傳動(dòng)架聯(lián)接，油缸伸縮使主臂升降的同時(shí)，由低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中心傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)吊椅旋轉(zhuǎn)。主臂落在支撐架。
主臂是游藝機(jī)的主要組成部分，是其完成預(yù)定動(dòng)作的重要受力部件。它主要由厚10mm的鋼板焊接而成，內(nèi)部設(shè)有加強(qiáng)筋與加固板，其根部與固定基礎(chǔ)通過水平銷軸鉸接，中部與液壓缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)主臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。主臂強(qiáng)度是否滿足要求是游藝機(jī)是否合格的重要衡量指標(biāo)。主臂處于兩種不同工作位置時(shí)的示意圖。對游藝機(jī)實(shí)際工作情況進(jìn)行分析，在整個(gè)行程中液壓缸對主臂的作用力始終垂直于主臂，由于AD=AC，則該力矩的力臂不變，而隨著主臂仰角的增大，游藝機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過主軸對主臂的作用力臂減小。
游藝機(jī)主臂所用材料為Q235鋼，其抗拉強(qiáng)度420MPa，在強(qiáng)度計(jì)算中，取安全系數(shù)為5。由于主臂屬于重要部件，則材料的彎曲、拉伸許用應(yīng)力為84MPa，端面承壓許用應(yīng)力為126MPa，剪切許用應(yīng)力為48MPa。經(jīng)過分析計(jì)算，主臂最不利斷而為液壓缸上鉸點(diǎn)處附近。
由于雙人飛天游藝機(jī)的主臂是由薄板對焊起來的箱形結(jié)構(gòu)，應(yīng)該視為板殼模型。現(xiàn)采用ANSYS軟件對主臂進(jìn)行有限元分析。
為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實(shí)工況位置進(jìn)行建模，根據(jù)游藝機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，對旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)水平時(shí)主臂的工況位置進(jìn)行建模。筒體由薄板構(gòu)成，首先取中面尺寸造型，構(gòu)建主臂的1/2模型，而后鏡像得到整體結(jié)構(gòu)。
板采用板殼單元Shell63來離散。Shell63是一種4節(jié)點(diǎn)線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時(shí)考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合主臂的實(shí)際受載情況。對于主臂的網(wǎng)格劃分，規(guī)則面采用四邊形單元，三角面采用三角形單元，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。最終形成主臂的有限元模型規(guī)模：節(jié)點(diǎn)數(shù)8207個(gè)，單元數(shù)10157個(gè)，主臂所受的載荷有：自重、上部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重量、乘客重量、風(fēng)載、液壓缸作用力及冰雪、地震載荷。由于主臂起升高度不大，風(fēng)載在分析中忽略不計(jì)。其它載荷根據(jù)實(shí)際情況換算為加在主臂尾部平面上的均布載荷。其值為0.4MPa。約束處理：主臂頭部與固定基礎(chǔ)鉸接處，約束3個(gè)方向平移自由度和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，液壓缸鉸點(diǎn)處同樣處理。
通過對上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到在計(jì)算工況下的最大變形量為2.052mm，位于主臂尾部，處于設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)剛度滿足要求。應(yīng)力分析結(jié)果及其與傳統(tǒng)計(jì)算值的比較，分析還得到最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓缸上鉸點(diǎn)附近。
對于游藝機(jī)的重要部件，Q235鋼復(fù)合許用應(yīng)力為84MPa，因此經(jīng)過有限元分析，可知主臂的強(qiáng)度通過要求，且與理論計(jì)算值相差在5%以內(nèi)，符合校核標(biāo)準(zhǔn)，說明兩種方法結(jié)果吻合。
通過對比兩種分析方式的結(jié)果，可知應(yīng)用ANSYS軟件分析得到的應(yīng)力值與通過傳統(tǒng)計(jì)算得到的計(jì)算值是接近的，因此使用ANSYS軟件進(jìn)行游藝機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)核工作完全可行，且可以大大減輕工作量，提高工作效率。此外，由有限元分析云圖可知，最大位移位于主臂的尾部，因此在允許條件下，液壓缸上鉸點(diǎn)的選取應(yīng)偏向尾部；而最大應(yīng)力顯示發(fā)生在液壓缸上鉸點(diǎn)附近，因此，可在主臂中部耳板處設(shè)置加強(qiáng)板，可以有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。
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