双层转马三维有限元分析

邓明星 (武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

张 强 (广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)

双层转马三维有限元分析

邓明星 (武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

张 强 (广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)

旋转木马是常见的游乐设施。其结构安全性、稳定性尤为重要。按照相关规范，使用有限元分析软件Ansys对某厂生产的双层旋转木马进行了合理的简化建模，并考虑了其使用过程中多种可能出现的载荷条件，对双层转马结构的各种极限工况进行了静力学三维有限元分析，找出了位移和应力最大的危险位置，确保设计满足安全性能要求，为其结构优化提供有力依据。

双层转马；有限元；静力学

旋转木马是游乐场、广场、公园、幼儿园等各类室内外游乐场地中常见的机动游乐设施，它的安全性是其最为被关注的性能。美国ASTM技术委员会更是提出了《游乐乘骑装置和设备设计规范》对游乐乘骑装置和设备的设计以及重大调整的具体规则进行了详尽的规定[1]。在工作过程中，旋转木马受风载、乘客重量及其离心力、自重力等的影响。为了解双层转木马关键承载构件在设计工况下的受力情况及全面掌握这些构件的受力特性，避免发生事故，并为设计合理性和安全鉴定提供科学依据，必须对其进行受力分析，判断其结构是否能满足刚度和强度要求，以保证其安全性。

下面，笔者以76人的双层转马为例，在Ansys有限元分析软件的平台下进行了分析，对无风满载、6级风偏载、12级风3种极限工况下的位移及应力分布进行了分析，为优化其结构提供理论基础。

1 双层转马的有限元建模与载荷处理

1.1有限元建模

双层转马一般由主机架、一层转盘部件结构、二层转盘部件结构和座车车架、座马摇杆部件和辅助装置等组成。建立双层转马几何模型(局部区域如焊接用连接板，因结构复杂，并且不是关键承载零件，所以在建模过程中予以简化)时，可采用板、梁和杆单元对各构件进行网格离散，而后添加实常数的方式添加有限元参数；对梁单元而言，还必须注意保证截面主轴方向与实际一致。当采用杆单元对构件进行模拟时，必须保证该构件不能存在较大的横向载荷，并且该构件相对于相邻的构件而言刚度较小。

实际建模时，按照下述原则进行结构简化：①对于桁架的大部分杆件而言，其截面尺寸相对于长度尺寸而言较小，可直接简化为梁单元，在Ansys中采用beam4单元进行网格离散，而后赋值相应的截面常数；②对于部分承受较少横向载荷的杆件，则离散为杆单元，即采用Ansys软件中的link8单元进行网格的离散，并且赋予各杆件相应的截面实常数；③结构中所用到面板均离散为板壳单元，即采用Ansys软件中的shell63单元进行网格离散后附厚度常数[2]。

1.2边界约束及载荷处理

双层转马主机架底板须与地下埋件固定以保证转马的稳定。在计算过程中，约束主机架底板所有节点的X、Y、Z向位移和转动自由度，即近似认为主机架与埋件之间采用刚性连接，埋件无位移。同样对主机架的支承梁底部节点X、Y、Z向位移和转动自由度进行约束。由于一层转盘下支架组件由转盘定位轮座对X、Y、Z向位移和X、Y向转动自由度进行约束，仅保留Z向的转动自由度。同理二层转盘下支架组件的约束情况与一层转盘下支架组件情况相同。

转马作为娱乐设施，在运行时受多种载荷[3-4]的影响，主要如下：

1)自重 转马本身有重量，在设计时必须予以考虑，对竖向施加加速度9.83m/s2，即以体力(Body Load)的方式双层转马的结构自重。

2)风载 露天设备的大型桁架结构应考虑风载荷。根据《机械设计手册》进行风载荷的计算：

Pw=CKhqA

(1)

式中，Pw为作用在机器上或物品上的风载荷，N；C为风力系数，此处取C=1.2；Kh为风压高度变化系数，由公式Kh=(h/10)0.3计算，h为高度；q为计算风压，q=0.613v2，N/m2；A为垂直于风向的迎风面积，m2。单片结构的迎风面积A=φA1，其中，A1为结构或物品的外轮廓面积，m2；φ为结构的充实率，由于实体结构为型钢制成的桁架，取φ=1。

在Ansys中施加风载，以方向力的形式，将风载数值分别平均到桁架结构迎风面节点上。

3)乘客重量和离心力 乘客重量在计算中必须予以考虑。特别的，在6级风作用下乘客只分布在转马的某一侧时，还需要考虑人体重量偏载的离心力对转马机架的影响。

4)地震影响 对于受地震破坏影响的机械设备钢机架，如其上无重型集中载荷，基础又不在Ⅲ、Ⅳ类土场地(饱和松砂、淤泥和淤泥质土、充填土、杂填土等)，在地震烈度小于或等于8时，不必校验地震破坏。

2 极限工况静力特性分析

2.1无风满载工况

双层转马在无风满载运行工况下，需考虑结构自重、乘客重量等因素，转马结构总体位移情况如图1所示，最大总体位移为9.202mm，位于第2层下支架4座座马位置。转马结构总体应力分布如图2所示，最大应力为75.294MPa，位于立柱上法兰处，主要由于立柱与主机架的电机在转马一侧作用造成。

图1 满载综合位移分布 图2 满载综合应力分布

2.26级风偏载工况

在6级风偏载运行工况下，考虑转马结构自重、乘客重量及6级风载等因素对转马结构受力的影响。

转马结构总体位移情况如图3所示，最大总体位移为11.752mm，位于第2层下支架4座座马位置。转马结构总体应力分布如图4所示，最大应力为66.158MPa，位于主机架上法兰处，主要由于立柱与主机架的电机在转马一侧和半数乘客、6级风偏载及乘客离心力作用造成。

图3 6级风载综合位移分布 图4 6级风载综合应力分布

对转马结构第2层转盘结构的综合位移与综合应力分析可知，转马总体最大位移在该层，如图5所示；此层的最大应力为53.773MPa，位于第2层转盘主架组件的下法兰处。对转马结构主机架与立柱综合位移与综合应力分析可知，其最大位移分布在立柱上法兰位置，大小为1.661mm；最大应力分布在主机架上法兰位置处，大小为66.158MPa，如图6所示。

图5 6级风载上支架综合位移分布 图6 6级风载主机架与立柱综合应力分布

2.312级风偏载工况

在12级风下，转马应处于非运行状态，计算时仅考虑结构自重及12级风载等因素对转马结构受力的影响。经过计算分析，转马最大总体位移为5.505mm，位于第2层上支架的外侧位置，如图7所示。转马结构总体应力分布如图8所示，最大应力为76.11MPa，位于主机架上法兰处，主要由于立柱与主机架的电机在转马一侧和12级风偏载作用造成。

图7 12级风载综合位移 图8 12级风载综合应力

在12级风情况下，转马总体最大位移在第2层转盘，其综合位移分布图如图9所示，这层的最大应力为51.61MPa，位于第2层转盘主架组件的下法兰处；总体最大应力分布在主机架上法兰位置处，大小为76.111MPa，如图10所示；经分析转马结构主机架和立柱综合位移与综合应力分布图知，最大位移分布在立柱上法兰位置，大小为2.165mm。

3 结 论

1)双层旋转木马结构复杂，在进行有限元建模时可将非关键承载部件简化以简化整个双层转马的三维有限元模型，提高计算分析的效率。

图9 12级风载上支架综合位移分布 图10 12级风载主机架与立柱综合应力分布

2)双层转马在各运行工况下，其最大位移均发生在第2层转盘处，而最大应力则出现在主机架上法兰处。因此，设计中可在保证各部件的强度条件下，适当减小非关键部位的尺寸，以减小转马的自重。

3)三维有限元分析方法能使设计者在设计阶段全面了解整个设计的应力与位移的分布情况，避免设计失误带来的安全问题，并为结构优化提供了有力的依据。

[1]张荣忠.美国旋转木马和过山车游乐乘骑标准[J].标准生活，2009(7):49-57.

[2]赵经文.结构有限元分析[M].北京: 科学出版社,2001.

[3]GB50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[4]熊丹安.建筑抗震设计简明教程[M].广州：华南理工大学出版社,2006.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.047

TH133

A

1673-1409(2012)08-N143-04

2012-05-23

邓明星(1980-)，女， 2003年大学毕业，硕士,讲师，现主要从事机械设计及理论方面的教学与研究工作。

[编辑] 洪云飞