基于SolidWorks的三自由度游乐设备的设计与有限元分析*

田 哲，李永奎

(沈阳农业大学 工程学院，辽宁 沈阳 110866)

基于SolidWorks的三自由度游乐设备的设计与有限元分析*

田 哲，李永奎

(沈阳农业大学 工程学院，辽宁 沈阳 110866)

阐述了SolidWorks对三自由度游乐设备进行三维实体建模，利用SolidWorks-Simulation有限元分析软件对游乐设备的总体进行动力学分析，得到它的振动特性；同时对船体的横梁和左右支柱进行静力学分析，得到应力、位移、弯矩等的分布图，这些都为结构的改进和动态特性的进一步分析提供重要基础。

SolidWorks；三自由度游乐设备；建模；动力学分析；静力学分析

0 引 言

现代机械产品的设计大多采用三维软件建模，如SolidWorks，Pro/E，UG，Catia等，这些三维软件基本应用于机械、模具、航空、船舶等各个领域，范围非常广泛，不但能大大缩短产品的研发周期，而且能更直观地反应出模型空间布局是否合理和有无干涉等关键问题，还能对设计模型进行机械性能方面的分析。Pro/E在模具设计中有其独特的一面；UG、Catia是非常高端的软件，在航空航天和汽车行业应用较多。而SolidWorks易学易会，易上手，且具有强大的CAD/CAE功能等特点，能够根据需要进行有限元分析。

随着生活水平的不断提高，人们越来越重视业余文化生活，因此，设计一款有意义并且十分刺激的游乐设备十分重要。笔者主要利用SolidWorks对三自由度游乐设备进行建模和有限元分析。通过算例对装配体进行总体动力学分析，再对其中的主要零部件进行静力学分析，对结果的后续改进进行综合分析，得出最佳的设计方案。以便在保证设备满足强度的前提下，减小零部件的厚度，以达到节约原材料，降低劳动成本，增加设备可靠性和使用寿命的目的[1]。

1 模型的建立

整个游乐设备主要由左右支柱、三角底座、转臂、摆臂、万向节、船体、人椅模型等构成。对于游乐设备的三维建模，采用自下向上的传统设计方法，即先对游乐设备各组成部分进行独立建模，然后将它们插入到装配体中，接着按照一定的配合关系将各部分零部件依次定位，装配成一个完整的游乐设备，装配体如图1所示。

图1 游乐设备装配体

零件在装配过程中，实际上就是一个约束和限位的过程，即通过各种约束方式对零部件的自由度进行限制，根据不同的零件模型及设计要求，选择适合的装配约束类型，从而完成零部件的定位。首先要确定各个零件的装配顺序，可以从一端开始进行装配，然后确定各个零部件的自由度及零部件间运动关系，以确定应该使用的约束形式，并对其进行干涉检查[2]。

1.1 添加约束

对游乐设备各个零部件的自由度和零部件之间的运动关系进行分析，先要确定它的约束形式，主要用到重合、同心、平行、距离等配合关系，最终完成整个游乐设备的总体装配。

1.2 碰撞及干涉检查

在装配体中选择旋转零部件、自由拖动、碰撞检查、碰撞时停止选项。通过旋转零部件，检查所选择零部件与其它零部件之间的碰撞，进而确定约束自由度的设置是否正确。

在大型和复杂游乐设备装配体中，仅依靠视觉去检查零部件之间是否发生干涉是非常困难的事，故需要进行动态干涉检查，在评估中选择干涉检查，会自动检查是否发生干涉现象，如果机构设计的不合理，则零部件将无法运动到指定的位置，而发生停止，不能完成预想的动作，进而装配将无法继续实现[3]。

2 装配体的动力学分析

SolidWorks动力学分析包括频率分析、屈曲分析、热力分析、跌落测试分析、疲劳分析、非线性分析、线性动力分析、压力容器设计分析等，这里主要介绍频率分析和线性动力分析。

2.1 频率分析

频率分析也叫模态分析，是一种计算共振频率及其对应的振动形式的方法，是动力学分析过程中不可或缺的一步。动力学分析会涉及到质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K]，而频率分析表示机械结构在无阻尼自由振动下的固有频率及其相应振型，当忽略外部载荷和阻尼的影响后，无阻尼振动方程为：

(1)

SolidWorks Simulation频率分析时，定义材料为Q235钢；因为关注的对象是游乐设备本身，故将转臂配重和人椅模型视为远程质量，在远程质量的面的选择列表框中，选择承受其载荷的面；由于频率分析只涉及质量矩阵和刚度矩阵，因而结构外形必须保持不变，不能定义无穿透接触，同时也不能使用螺栓接头，可使用接合、销钉联接和焊接等方式来近似模拟，故选择自动查找相触面组，定义接合接触；添加夹具，左、右支柱分别同圆盘添加固定铰链，三角底座添加固定几何体；不考虑载荷对结果的影响；采用高品质网格划分，运行分析即可得到装配体的固有频率和振动形式，如表1所列为游乐设备前10阶的固有频率和主要振动形式。位移的大小并不代表振动结构的真实位移，在频率分析中，如果结构件在给定模式下发生振动，位移大小可用于确定结构上特定位置相对于其他位置的位移。此外，通过对装配体施加冲击载荷并分析其结构响应(位移、速度等)的方法，可得到装配体的真实振动特征[4]。

表1 游乐设备前10阶固有频率和主要振动形式

2.2 谐波分析

SolidWorks Simulation提供的线性动力算例中的谐波响应是用来评估不同工作频率状态下的峰值响应。它的目的在于得出响应值(如应力和位移)对频率的曲线，以及通过曲线得到响应峰值及其对应的频率。主要分析计算模型在稳态振动下的响应情况，从而忽略激励开始时的瞬态振动，这种分析技术主要是让设计人员验证其设计是否已经避免了共振、疲劳破坏和经历其他的受迫振动而引起的破坏效果[5]。

SolidWorks Simulation中的谐波响应分析的步骤分为设置算例属性，定义远程质量，添加连结条件，添加夹具，定义外部载荷，划分网格，定义阻尼，最后运行分析等。夹具还要再添加高级夹具中的参考几何体，约束作用在左右支柱的圆孔内表面，参考基准面选择前视基准面(与Z坐标轴垂直)，限制这两个圆孔的沿基准面方向1(X坐标方向)、沿基准面方向2(Y坐标方向)和垂直于基准面三个方向的平移(Z坐标方向)。外部载荷采用选定的基准激发，激发类型是位移。阻尼频率设定为0.05。本节主要研究在正余弦激励的作用下三自由度游乐设备的稳态响应的分析方法，而正余弦的激励主要来源于液压马达的驱动。游乐设备在工作过程中，会受到液压马达、自身结构、天气等因素的影响，导致游乐设备产生不同程度的振动，从而影响乘客的游乐安全。研究游乐设备沿基准面方向1激励下(即横向)的稳态响应，结果如图2、3所示。

当频率达到24.557 Hz时，左转臂的位移变化达到最大，为18.641 mm。由前面模态分析的结果可看出，左转臂频率在24.557 Hz时最接近游乐设备的第7阶固有频率24.499 Hz，其他频率下的位移只是稍有变化，比较小，为避免游乐设备的共振导致位移过大，而使液压马达在工作时遇到此频率而快速通过。X轴方向的位移变化最大，Y轴方向的位移变化次之，Z轴方向的位移变化最小且影响甚微。

同样的方法，得出结果为表2所列，可以看出对X坐标轴进行激励，左、右转臂振动幅度较大，其次是船体，之后是右摆臂。

图2 左转臂上节点33436的幅频特性曲线

图3 左转臂上节点33436在X、Y、Z轴方向上的幅频特性曲线

振幅方向节点33436节点27229节点24522节点9363合18.64121.5293.65276.6587X18.60921.2543.61986.3089Y2.77793.96720.4652.126Z2.59852.96760.5495.5079

3 关键零部件的静力学分析

作用在游乐设备上的载荷分为永久载荷和变载荷，永久载荷就是结构自重，而变载荷包括乘人本身载荷，所以需对关键零部件进行静力学分析，故应用SolidWorks中的Simulation有限元分析插件对主要受力零部件进行分析。

3.1 船 体

工作过程中，自身载荷和外部载荷均作用在船体上，对船体上面的横梁形成非常大的弯矩，这就要求船体具有足够大的刚度和强度，根据设计尺寸和结构参数化建模后，需对其进行静力学分析。

对船体指定材料为Q235，将主梁视为横梁，自动计算它的接点。

添加相触面组，手工选取相触面组，先将横梁端面和小圆饼的面接合，然后将和横梁接触的竖梁、斜梁的面与其接合，最后其他零件之间的接触方式通过选择自动查找相触面组添加接合接触。

根据装置中船体的安装形式，在船体的两端安装圆柱面上分别添加夹具约束轴承支撑。规定乘坐成人2人以上按700 N/人计算[6]，根据船体的实际受力形式和工作过程中承受的最大载荷，在船体的每个支撑梁上将添加4 528 N的Y向载荷。

模型有实体模型、横梁、壳模型，故采用混合网格划分，所用网格器基于曲率的网格，雅克比点4点，壳体的雅克比检查为打开，最大单元大小为213.301 mm，最小单元大小为42.660 1 mm，网格品质高，节总数为16 562，单元总数为8 158。

划分好网格后，进行运行分析，得出最大应力为43.2 MPa，远远低于材料的屈服强度235 MPa，其最大位移为1.135 mm，满足实际要求。对于主梁来说，最重要的是分析它的弯矩情况，如图4、5所示，方向1的最大弯矩为48.476 N·m，方向2的最大弯矩为6 016.680 N·m，可在主梁和竖梁之间加筋，防止应力集中。

图4 船体主梁方向1的弯矩图解

图5 船体主梁方向2的弯矩图解

3.2 左支柱和右支柱

同样，可对左、右支柱进行静力学分析，指定材料、连结、夹具、外部载荷，计算结果如表3所列，可知满足实际要求。

表3 左支柱和右支柱的静力学分析结果

4 结 论

(1) 以SolidWorks软件为平台，对三自由度的游乐设备进行了建模，并对其进行动力学分析、静力学分析，为后续的改进和优化设计提供依据。

(2) 以三自由度的游乐设备为研究对象，进行频率分析得出前10阶固有频率及主要振动形式，谐波分析得出游乐设备上特殊节点的幅频特性曲线，表明了对X坐标轴激励下，振动幅度的情况。

(3) 对船体、左、右支柱进行静力学分析，得出三者的最大应力、最大位移和船体横梁的最大弯矩等。

[1] 逯艳艳，李永奎.基于SolidWorks轴类零件优化设计[J].农业科技与装备，2012(1):24-26.

[2] 赵 罘，杨晓晋，张云杰.SolidWorks 2008基础设计教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3] 李广鑫，曹 为.基于SolidWorks的机械手臂虚拟设计与运动仿真[C].全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会.武夷山,2010.

[4] 陈超祥，叶修梓.SolidWorks Simulation高级教程[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5] 陈超祥，胡其登.SolidWorks Simulation Premium振动分析教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6] GB 8408—2008，游乐设施安全规范[S].

Design and Finite Element Analysis on the 3-DOF Amusement Equipment Based on SolidWorks

TIAN Zhe，LI Yong-kui

(CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,ShenyangLiaoning110866,China)

The 3-D entity model of 3-DOF amusement equipment by SolidWorks was bult, dynamics analysis was imposed on the overall of the amusement rides by using SolidWorks-Simulation of finite element analysis software, so as to obtain its vibration characteristics, at the same time distribution maps of stress, displacement and bending of hull beam and pollars were obtained by statics analysis, all of them provid the basis for the reaearch on structure improvement and dynamic characteristics analysis.

SolidWorks; 3-DOF amusement equipment; modeling; dynamics analysis; statics analysis

2014-01-20

“十二五”农村领域国家科技计划课题任务“玉米免耕播种机动力学特性研究与结构优化设计”(编号：2011BAD20B09-11)

田 哲(1987-)，女，辽宁沈阳人，在读硕士，主要从事计算机辅助设计与分析研究方面的工作。

李永奎(1963-)，男，辽宁营口人，教授，博士，主要从事机械计算机辅助设计方面的教学与研究工作。

TH122

A

1007-4414(2014)02-0024-03