一种儿童秋千架的设计及ANSYS应力分析研究

王亮军 郭永生

摘 要：通过用Pro/E软件设计一种常见的儿童秋千架玩具，并且用ANSYS系统对它进行变形量及所受应力的分析，从而验证设计的安全性。

关键词：儿童秋千架；ANSYS；应力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.180

儿童秋千架是一种常见的儿童玩具，深受儿童喜爱。但是一些家长对儿童秋千架的安全问题也是有些担忧，本文拟设计一种市场上常见的儿童秋千架并且应用Ansys软件进行应力分析研究，从而打消家长的顾虑。

1 用Pro/E软件进行建模

在三维实体造型软件Pro/ENGINEER和有限元分析软件ANSYS之间存在着模型数据交换困难的问题，为了实现两大软件集成环境，根据CAD/CAE系统间图形交换的机制，通过理论和实践研究，以目前主流应用的Pro/ENGINEER Wildfire2.0与ANSYS10.0为例，研究将Pro/E的模型数据转入ANSYS中并划分网格、进行有限元分析的转换方案。提出了采用IGES、.ans和Pro/E-ANSYS接口3种可供实现的途径分析讨论了各自的优缺点。结果表明，采用Pro/E-ANSYS接口实现数据交换是最优办法[1]。

这个儿童秋千架是放置于户外的，假定将尺寸限定在240×180×150cm范围内空间。用Pro/E软件设计出如图1所示的两侧A字形秋千架。

2 导入ANSYS系统进行分析

假设现在有多个小孩一起玩的摇篮式秋千，算4个小孩，每个40kg，计算的时候多加2个，取承重240kg，重力等于2400N，则一侧承受载荷为1200N，则每侧绳子对架子横梁的拉力为1200N。如果秋千在摆动，则可以将这个拉力乘以一个动载荷系数，这里取2.1，则每侧的拉力为2412N。具体分析如下：

基于ansys Workbench软件对秋千钢架结构进行了有限元分析。

载荷计算如上，秋千钢架载荷为秋千上儿童载荷，假设重量为240kg，在秋千摆动过程中，通过考虑动载荷系数的形式，将绳索上的载荷乘以动载荷系数，首先通过受力分析计算出秋千静止时刻绳索上的载荷，其大小为1200N，考虑到一定的安全系数，动载荷系数取2.1，则秋千上的两侧绳索的拉力分别为2412N。

首先在三维模型中建立秋千整体模型，在有限元分析中只考虑秋千钢架的模型，未考虑绳索的几何模型，而是将载荷直接等效施加在钢架结构上。虽然在实际情况下绳索也会发生断裂破坏，但是大部分情况下绳索的破坏都是长期的磨损导致的，而不是绳索的一次性拉断破坏，在我们的结构设计中，对于绳索的选型都做过严格的计算，而且留有一定的安全系数，从而避免了绳索的一次性破坏。那么绳索的磨损破坏和绳索系的不牢靠导致的滑落等情况很难通过有限元来实现，所以我们在设计中除了留有一定的安全系数外，还要求现场维护人员定期检查绳索，如有明显磨损和滑落需要进行维护或更换，而且对绳索的维护和更换也相对方便，所以此处我们认为绳索已经满足要求，在有限元分析中只考虑钢架结构，校核钢架结构在秋千摆动过程中是否满足强度要求，因為钢架结构为主要承载结构，同时钢架结构一旦安装，大都为永久性的，没法做到更换，除非秋千整体报废。所以以下采用有限元结构对秋千的钢架结构进行分析及优化。秋千钢架结构材料为结构钢，其弹性模量为2.1e11pa，泊松比为0.。将秋千钢架结构的几何模型文件另存为IGES文件并且导入ANSYS软件中，进行有限元网格划分。网格模型如下所示，网格总数为31633，节点总数为65044。钢架结构的应力云图和位移云图如图2所示：

结构最大变形为4.5164mm，横梁总长2000mm，变形大小只有长度的0.2%，所以横梁的变形认为满足刚度要求。

钢架结构的最大等效应力为189.56MPa，材料为Q235，屈服极限为235MPa，此时安全系数为1.24，最大等效应力发生在横梁和支架的焊接位置，这与实际情况吻合，大多数秋千钢架的破坏都是该处的焊接脱落导致整体破坏。

3 结论

经过Pro/E软件的精确建模，以及导入ANSYS软件进行分析儿童秋千架的变形量以及所受到的最大应力，发现变形量在安全范围，最大应力小于屈服极限。而且本文假设的是秋千架超载的情况，这种情况商家应该在产品上贴有提示语提醒使用者避免6个儿童一起使用秋千架，即实际应用中一般不会出现文中假设的情况。所以这种设计是绝对安全的，家长们尽可以放心。

参考文献：

[1]林建冬，原思聪，郑建校.基于Pro/E与ANSYS的CAD/CAE数据交换方法研究 [J].工程机械，2007（08）：32-36.