基于midas NFX 某游乐设备的结构分析设计

黄建文 浙江巨马游艺机有限公司

基于midas NFX 某游乐设备的结构分析设计

黄建文 浙江巨马游艺机有限公司

游乐设备作为事关大众的特种设备，引入有限元分析可以最大程度保证设计的安全可靠，为游乐设施的开发开辟了新篇章[1]。本文利用著名的全中文有限元分析软件midas NFX 对某型游乐设备进行详细的设计计算，考虑各种载荷自重、离心力、风载、地震载荷等及组合，模拟运行和非运行状态下的受力，并计算出结果。结果表明设计结构符合设计要求，有限元在游乐设备中应用更方便，分析结果更全面，更适合于象游乐设备此类特种设备的分析计算。

1 分析计算

1.1 大臂有限元分析

本项目采用全中文有限元分析软件midas NFX[2-3]进行计算分析。midas NFX具有丰富的国标材料数据库，自动生成报告书、快速建模等特色功能有效地促进建模及分析速度，提高产品设计效率。

●1.1.1 模型

大臂是本设备的主要结构，包括旋转座、承重臂、配重臂、座舱臂等部分，模型如图1所示。

●1.1.2 网格及材料特性

考虑大臂的结构，主要采用板单元，厚度参考设计尺寸。

材料采用Q235B，弹性模量2.06x105MPa，密度7850kg/m3，屈服强度235MPa，抗拉强度400MPa，直接从材料数据库中选择相应的材料。

●1.1.3 约束边界

根据实际情况定义分析模型的边界条件：回转支承相对应螺栓孔和旋转中心刚接，旋转中心固定约束，约束如图2所示。

图2 约束边界

●1.1.4 加载

1）自重

大臂的自重按模型，由程序计算；按大臂所处位置分2种，底部时受垂直向下的自重即Y向，水平时受水平向下的自重即Z向；考虑大臂上的一些装饰件及、边角、焊缝的因素，自重考虑1.1的放大系数。

2）座舱给大臂之座舱臂立杆的力

游乐设备在运行时，大臂还受到座舱的作用力，作用力计算见表1。

3）离心力

离心力包括大臂自身及座舱和乘客产生的，两者计算方法分别：大臂的离心力由程序计算，转速15.5r/min，座舱、乘客的离心力包括在“座舱给大臂的力”。

表1 座舱对大臂的作用力（全局坐标系）

4）风载荷

根据《建筑结构载荷规范》[5]风载荷标准值，风载荷按下面公式计算:

式中:wK——风载荷标准值（kN/m2）

βZ——Z高处的风振系数

μs——风载荷体型系数

μz——风压高度变化系数

w0——基本风压（kN/m2）

设备高度19m, 自振周期：0.013×19=0.247s,查有关规范，风载荷标准值分考虑运行状态和非运行状态两种，计算如下详述。

表2 运行状态下风载表

基本风压按50年一遇进行选取，取基本风压为0.85kN/m2，则可以覆盖全国绝大部分地区，于是非工作状态下的风载荷为见表3。

表3 非运行状态下风载表

5）地震载荷对设备的作用

本设备适宜按照丙类建筑抗震设计，根据《建筑抗震设计规范》[6]相关要求，丙类建筑应符合本地区抗震设防烈度的要求。因此，按照使用区域覆盖范围。本设备抗震设防烈度取8级。8级地震对设备产生的水平加速度aV=0.3g=2.943m/s2。

地震载荷计算公式为:T=G0·aV

式中:T——地震载荷（水平方向）kN;

G0——结构自重,t;

aV——地震波产生的水平加速度,m/s2;

地震荷载由程序自动计算。

●1.1.5 荷载组合

依据设计规范进行载荷组合，载荷组合表见表4。

表4 载荷组合表

●1.1.6 计算结果

1) 底部位置满载状态

底部位置满载状态时最大应力约为39.6MPa,发生在大臂加强杆连接位置，如图3所示。

图3 大臂加强杆连接处应力云图

2）水平位置满载状态

水平位置满载状态时最大应力约为68.7MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图4所示。

图4 大臂旋转处应力云图

3）底部位置偏载状态

底部位置偏载状态时最大应力约为32.0MPa,发生在大臂加强杆连接位置，如图5所示。

图5 底部位置偏载时的应力云图

4）水平位置偏载状态

水平位置偏载状态时最大应力约为66.3MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图6所示。

图6 水平位置偏载时的应力云图

5）大风状态

大风状态时最大应力约为93.4MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图7所示。

图7 大风状态大臂旋转处应力云图

6）地震状态

地震载状态时最大应力约为56.6MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图8所示。

图8 地震载大臂旋转处的应力云图

●1.1.7 结果分析

1）运行状态：

底部位置满载状态最大应力39.6Mpa

水平位置满载状态最大应力68.7MPa

底部位置偏载状态最大应力32.0MPa

水平位置偏载状态最大应力66.3MPa

最大应力为底部满载状态，最大应力68.7MPa，冲击系数1.5，安全系数为400/(68.7 x1.5)=5.82>3.5，满足“GB8408-2008[4]”的要求。

2）非运行状态

大风状态最大应力93.4MPa

地震状态最大应力56.6MPa

最大应力为大风状态，最大应力93.4MPa，安全系数为235/93.4=2.52>1，满足“GB8408-2008游乐设施安全规范”的要求。

1.2 座舱有限元分析

●1.2.1 模型

对座舱进行细部建模分析，模型如图9所示。

图9 座舱模型图

●1.2.2 网格及材料特性

依据结构特点，主要采用板单元，厚度按照图纸。

与大臂使用材料相同，材料采用Q235B，弹性模量2.06×105GPa，密度7850kg/m3，屈服强度235MPa，抗拉强度400MPa。

●1.2.3 约束边界

立杆顶部和旋转中心刚接，旋转中心固定约束。

●1.2.4 加载

1）自重

（1）座舱的自重按模型，由程序计算；按座舱所处位置分2种，底部时受垂直向下的自重即Y向，水平时受水平向下的自重即Z向；考虑座舱上的一些装饰件及、边角、焊缝的因素，模型自重考虑1.1的放大系数。

（2）乘客的自重

座舱在底部时，自重作用在座板上700N/人；座舱处于水平位置时，自重作用在压杠横销孔上350N/孔。

2）离心力

（1）座舱的离心力由程序计算，转速15.5r/min

（2）乘客的离心力为：

作用在座舱座板上。

3）风载荷

与大臂计算类似，在此省略。

4）地震载荷对设备的作用

与大臂计算类似，在此省略。

●1.2.5 荷载组合（见表5）

表5 荷载组合

●1.2.6 计算应力云图

1）底部位置满载状态

底部位置满载状态时最大应力约为63.4MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图10所示。

图10 底部满载时应力云图

2）水平位置满载状态

水平位置满载状态时最大应力约为54.2MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图11所示。

图11 水平位置满载时应力云图

3) 底部位置偏载状态

底部位置偏载状态时最大应力约为61.2MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图12所示。

图12 底部位置偏载时的应力云图

4）水平位置偏载状态

水平位置偏载状态时最大应力约为52.6MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图13所示。

图13 水平位置偏载时应力云图

5）大风状态

大风状态时最大应力约为93.9MPa,发生在座舱横支撑顶部位置附近，如图14所示。

图14 大风状态座舱支撑顶部应力云图

6）地震状态

地震状态时最大应力约为9.4MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图15所示。

图15 地震状态座舱加强筋处应力云图

●1.2.7 结果分析

1) 运行状态

底部位置满载状态最大应力63.4MPa

水平位置满载状态最大应力54.3MPa

底部位置偏载状态最大应力61.2MPa

水平位置偏载状态最大应力52.6 MPa

最大应力为底部满载状态，最大应力63.4MPa，安全系数为400/63.4=6.31>3.5，满足“GB8408-2008游乐设施安全规范”的要求。

2）非运行状态

大风状态最大应力94MPa

地震状态最大应力9.4MPa

最大应力为大风状态，最大应力94MPa，安全系数为235/94=2.5>1，满足“GB8408-2008游乐设施安全规范”的要求。

2 优化分析

从大臂和座舱的演算结果来看，这个设备设计偏于保守，大部分结构具有较大的优化空间。考虑结构承载作用的大小不同，分别对大臂内部加强筋、主体结构、座舱的部分连接结构、主体结构等进行尺寸减薄优化。同样地，利用midas NFX进行优化分析，分析结果表明结构应力水平并未发生明显的提高，减重效果明显，而且符合设计要求。

3 结论

综上所述，有限元软件可以详细获得游乐设备金属结构任一点的应力和挠度，通过负载组合，可以快速计算出不同状态下的刚度和强度值。

有限元方法对游乐设施金属结构的计算更全面，能够处理更复杂的计算模型，考虑更多的实际工况，因此是产品开发和设计中的有效工具。

2013－11－15）