李冰冰

(承德石油高等?？茖W(xué)校 學(xué)校辦公室，河北 承德 067000)

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“摩天環(huán)車”游藝機(jī)大臂的有限元分析

李冰冰

(承德石油高等?？茖W(xué)校 學(xué)校辦公室，河北 承德 067000)

在游藝設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中多采用傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算的方式，存在周期長(zhǎng)、工作量大的弊端，特別是對(duì)于受力情況比較復(fù)雜的部件更是無從下手。應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)“摩天環(huán)車”游藝機(jī)大臂進(jìn)行強(qiáng)度校核的思路，分析了大臂在不同的位置、極端的工況下的受力情況，得出了合理的結(jié)論，對(duì)游藝機(jī)復(fù)雜受力部件的設(shè)計(jì)校核工作進(jìn)行了探索。

游藝機(jī)；大臂；有限元分析

近年來，國(guó)內(nèi)游藝機(jī)行業(yè)高速發(fā)展，其設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造到使用、檢測(cè)等環(huán)節(jié)都要在特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門的安全監(jiān)察之下，其中對(duì)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[1-3]。目前研究游藝機(jī)復(fù)核的文獻(xiàn)相對(duì)較少，有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)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(zhǎng)、工作量大的弊端，下面就以“摩天環(huán)車”游藝機(jī)大臂校核為例，采用ANSYS 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在游藝機(jī)行業(yè)的應(yīng)用做初步探索[4]。

1 游藝機(jī)結(jié)構(gòu)

本游藝機(jī)為兩個(gè)立式Φ10 m環(huán)行軌道，通過中間軸及聯(lián)桿連接。中間軸兩端分別懸掛一個(gè)大臂，大臂沿中間軸可做360°圓周運(yùn)動(dòng)，大臂的一端為配重，另一端為圓形座艙(分別乘座6人)。座艙分別在兩環(huán)行軌道內(nèi)由電動(dòng)機(jī)通過皮帶輪、皮帶、鏈輪、鏈條和驅(qū)動(dòng)膠輪的驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)平衡臂(驅(qū)動(dòng)臂部分)的支承作用下，沿中心軸做360°圓周運(yùn)動(dòng)。既能沿軌道做順、逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)又能自轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 大臂強(qiáng)度計(jì)算

2.1單元的選取

SOLID45單元為三維實(shí)體單元，單元中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)方向的自由度(即X、Y、Z軸三個(gè)方向的位移)。此單元具有塑性、蠕變、剛度硬化、大變形、大應(yīng)變等功能，是工程中三維實(shí)體仿真分析的常用單元，故本分析采用SOLID45單元對(duì)座艙骨架進(jìn)行受力模擬。

2.2材料模型的選取

材料選用隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)，屈服強(qiáng)度取215 N/mm2，彈性模量選用2.06E5 N/mm2，強(qiáng)化階段彈性模量選用1/100的彈性階段的彈性模量(即2.06E3 N/mm2),泊松比取0.3。

2.3計(jì)算模型的選取

由于大臂基本上兩邊是對(duì)稱，取一半邊作為計(jì)算對(duì)象。

2.4網(wǎng)格的劃分

從理論上講，網(wǎng)格劃分越精確，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值越接近，但會(huì)大大增加模型的計(jì)算時(shí)間。另外，網(wǎng)格劃分質(zhì)量，直接會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果。鑒于上面的兩個(gè)原則，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)格劃分尺寸控制取小于模型最小幾何尺寸的10倍，是保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量的必要條件。經(jīng)過反復(fù)的試算，最終確定網(wǎng)格劃分尺寸為18 mm，劃分方式為自由劃分。

2.5邊界條件

將大臂右側(cè)約束X、Y、Z向的平動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)受力機(jī)理，邊界約束如圖2所示。

2.6荷載的施加

在大臂左端施加12530N的豎向荷載。為了避免施加集中荷載引起的應(yīng)力集中，且為了和實(shí)際相符合，把所施加的集中荷載換算成節(jié)點(diǎn)荷載施加，如圖3所示。

2.7計(jì)算結(jié)果

1)剪力計(jì)算

剪力計(jì)算云圖如圖4所示，從圖中可以看出，最大剪應(yīng)力發(fā)生在左端部，剪應(yīng)力最大為6 N/mm2。

安全系數(shù)：

2)彎矩計(jì)算

彎矩計(jì)算云圖可以看出，最大正應(yīng)力發(fā)生在右端部，正應(yīng)力最大為42.4 N/mm2。

安全系數(shù)：

3 結(jié)論

本文通過專業(yè)的分析軟件對(duì)大臂各工況的受力情況進(jìn)行了分析。我們看到，應(yīng)用 ANSYS分析軟件可以大大減輕工作量，提高工作效率，減少設(shè)計(jì)周期，是游藝機(jī)行業(yè)重要的設(shè)計(jì)工具。

[1]史向東.“太空船”游藝機(jī)回轉(zhuǎn)臂的強(qiáng)度校核計(jì)算分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(7)：51-53.

[2]謝克杰.游藝機(jī)和游樂設(shè)施的質(zhì)量監(jiān)理[J].機(jī)電信息，2007(8)：45-47.

[3]劉曉卉.“雙人飛天”游藝機(jī)主臂設(shè)計(jì)校核的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(3)：206-207.

[4]游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].GB8408-2008.

FiniteElementAnalysisofFerrisWheelRecreationMachineBoom

LI Bing-bing

(School Administrative Office, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Traditional mechanical calculations are more often used in the design process of recreation facility nowadays. However, there exit some disadvantages in this way of calculating, such as the long cycle cost, the heavy workload, and particularly the inability in case of more intricately forced working parts. This paper illustrates the idea of using finite element analysis software to check the strength of Ferris Wheel recreation machine boom, analyzes the forces of boom framework under extreme work conditions, and comes to a reasonable conclusion. And the designing and checking of intricately forced workpieces of recreation machines are explored as well.

recreation machines; boom; finite element analysis

2013-11-22

李冰冰(1982-)，女，黑龍江佳木斯人，承德石油高等專科學(xué)校學(xué)校辦公室，主要從事電子信息技術(shù)教學(xué)和研究。

TH2

：B

：1008-9446(2014)02-0017-03