有限元计算在游乐设备设计中的应用

—自控飞机类支架结构计算

1 载荷特性分析

飞鸟属于自控飞机类设备,绕中心轴转动过程中能够俯冲和倾斜。单个飞鸟座舱能容纳4个乘客(2个成人2个儿童),飞鸟座舱结构骨架如图1所示:

图1  飞鸟骨架3D模型

根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》中4.2.2.1节:乘坐成人1~2人时按750N/人计算,2人以上按700N/人计算。儿童(身高不超过1.2m或10岁以下)按400N/人计算。第4.2.3.2节:游乐设施在运行过程中有可能出现冲击,从而产生冲击载荷(如滑行车类中,可能来自于轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑),设计时一般无法准确计算,因此,该类游乐设施进行强度计算时,其载荷(永久载荷及活载荷)必须乘以冲击系数K,可知自控飞机类的冲击系数为1.3。

由以上分析可知,飞鸟前后两排座,每排座上允许乘坐一个成人和儿童,另外飞鸟结构外包玻璃钢组件,玻璃钢的总载荷约为1000N,则飞鸟骨架承受的总载荷(考虑冲击系数的影响):((700+400)×2+1000)×1.3=4160N

2 有限元模型

使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)18.0多物理场协同CAE仿真软件,对飞鸟座舱骨架部件建模并进行网格划分。

玻璃钢外形,转化为载荷,附加在机架上。采用8节点的壳单元(SHELLl81)和2节点的梁单元(BEAM188),并使用四边形为主的网格划分,如图2所示。

(1)主体网格

(2)局部网格

图2  飞鸟骨架有限元模型

3 载荷与约束

在正常运行工作状态下,不考虑风载的影响,由于分为前后两排在骨架横梁相应位置,分别施加2080N的载荷。

底部约束位置施加旋转约束,气缸支撑位置,施加竖直方向的位置约束,载荷与约束,整体结构施加竖直向下的重力加速度,如图3所示。

(1)旋转约束

(2)总载荷

图3  特殊载荷与约束

4有限元分析结果

在乘人载荷作用下, 考虑运行冲击的影响。骨架有限元分析结果,如图4所示。

飞鸟骨架结构的=219.9MPa,出现骨架底部纵杆中部,375/219.9=1.7(Q235B),如图4(2)所示。

飞鸟骨架结构的最大位移为20mm,出现在骨架底部纵杆端部。如图4(3)所示。

(1) 整体应力云图

(2) 局部应力云图

(3) 位移云图

图4  有限元分析结果

5改进建议与分析结果

由于结果的最大应力部位的安全系数小于规范规定的值,因此需对薄弱部位进行加强,通过有限元结构计算工程师(本人)与企业技术部CAD设计工程师进行沟通,确定改进方案。

5  与企业技术沟通过程

经过与企业技术部进行沟通,对飞鸟支撑结构进行了结构优化改进,改进后的飞鸟座舱结构骨架如图6所示:

图6  改进后的飞鸟骨架

对改进后的结构进行有限元计算,计算结果如图7所示。

飞鸟骨架结构的=102.9MPa,出现骨架底部纵杆中前部,375/102.9=3.6(Q235B),如图7(2)所示。

飞鸟骨架结构的最大位移为9mm,出现在骨架底部纵杆端部。如图7(3)所示。

(1) 整体应力云图

(2) 局部应力云图

(3) 位移云图

图7  改进后结构有限元分析结果

6 结论与展望

在正常工作载荷作用下,考虑运行冲击的影响,不考虑工作风载的影响。

初始设计,飞鸟骨架结构的分析结果表明:骨架结构的安全系数远小于规范规定的3.5,结构存在安全隐患。

由于初始设计的安全系数不满足规范要求,存在安全隐患,结合结构力学原理,对关键部位进行加强。

改进后设计,飞鸟骨架结构的分析结果表明:骨架结构的安全系数为3.6,超过规范规定的3.5,满足设计要求。

游乐设备是关系到人的生命安全的特种设备,作为游乐设备的制造企业,切不可漠视产品的安全,从机构设计、结构设计到吊装安装等,需要进行详细的结构计算,确保产品的安全。

因此建议各游乐设备制造企业需重视技术投入,技术人员数量要占总员工人数的10%以上,除了基本的CAD工程师外,还需要结构计算的CAE工程师。企业负责人要对自己企业生产的产品的安全性能,做到心中有数。

有限元计算是确保游乐设备安全的重要手段!