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近些年，越來越多的大型主題游樂園在城市中建成，其中最主要的設備就是游藝機。因游藝機具有較強的游客參與性和人機互動性，一旦發(fā)生事故會造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失，因此要求其設計、制造、安裝、改造、維修、使用、檢測檢驗等七個環(huán)節(jié)必須在特種設備安全監(jiān)督管理部門的安全監(jiān)察之下，其中對生產(chǎn)廠的設計文件要求必須由經(jīng)核準的技術機構進行鑒定。目前研究游藝機復核的文獻相對較少，有關機構對游藝機復核的工作大多采用傳統(tǒng)力學計算的方式，存在周期長、工作量大的弊端，下面就以“雙人飛天”游藝機主臂強度校核為例，通過對比傳統(tǒng)計算結果與使用有限元分析軟件的計算結果來闡述ANSYS用于設計復核的可行性，使校核工作方便快捷的進行，以供大家參考。
雙人飛天游藝機是一種繞可變傾角軸低速旋轉的游樂設備，設備的升降及旋轉由程序通過液壓系統(tǒng)控制。某型號雙人飛天游藝機的結構簡圖。主要由基礎、主臂、懸臂、中心傳動架，吊椅部件、支撐架及液壓系統(tǒng)等組成。游藝機的吊椅通過懸臂與中心傳動架聯(lián)接，油缸伸縮使主臂升降的同時，由低速大扭矩馬達驅動中心傳動軸旋轉而帶動吊椅旋轉。主臂落在支撐架。
主臂是游藝機的主要組成部分，是其完成預定動作的重要受力部件。它主要由厚10mm的鋼板焊接而成，內(nèi)部設有加強筋與加固板，其根部與固定基礎通過水平銷軸鉸接，中部與液壓缸鉸接，可實現(xiàn)主臂在變幅平面內(nèi)自由轉動。主臂強度是否滿足要求是游藝機是否合格的重要衡量指標。主臂處于兩種不同工作位置時的示意圖。對游藝機實際工作情況進行分析，在整個行程中液壓缸對主臂的作用力始終垂直于主臂，由于AD=AC，則該力矩的力臂不變，而隨著主臂仰角的增大，游藝機旋轉機構通過主軸對主臂的作用力臂減小。
游藝機主臂所用材料為Q235鋼，其抗拉強度420MPa，在強度計算中，取安全系數(shù)為5。由于主臂屬于重要部件，則材料的彎曲、拉伸許用應力為84MPa，端面承壓許用應力為126MPa，剪切許用應力為48MPa。經(jīng)過分析計算，主臂最不利斷而為液壓缸上鉸點處附近。
由于雙人飛天游藝機的主臂是由薄板對焊起來的箱形結構，應該視為板殼模型�，F(xiàn)采用ANSYS軟件對主臂進行有限元分析。
為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實工況位置進行建模，根據(jù)游藝機設計圖紙，對旋轉系統(tǒng)水平時主臂的工況位置進行建模。筒體由薄板構成，首先取中面尺寸造型，構建主臂的1/2模型，而后鏡像得到整體結構。
板采用板殼單元Shell63來離散。Shell63是一種4節(jié)點線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合主臂的實際受載情況。對于主臂的網(wǎng)格劃分，規(guī)則面采用四邊形單元，三角面采用三角形單元，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。最終形成主臂的有限元模型規(guī)模：節(jié)點數(shù)8207個，單元數(shù)10157個，主臂所受的載荷有：自重、上部旋轉機構的重量、乘客重量、風載、液壓缸作用力及冰雪、地震載荷。由于主臂起升高度不大，風載在分析中忽略不計。其它載荷根據(jù)實際情況換算為加在主臂尾部平面上的均布載荷。其值為0.4MPa。約束處理：主臂頭部與固定基礎鉸接處，約束3個方向平移自由度和兩個方向的轉動自由度，釋放繞銷軸中心回轉的轉動自由度，液壓缸鉸點處同樣處理。
通過對上述有限元模型進行計算，得到在計算工況下的最大變形量為2.052mm，位于主臂尾部，處于設計允許值范圍內(nèi)，因此設計剛度滿足要求。應力分析結果及其與傳統(tǒng)計算值的比較，分析還得到最大應力出現(xiàn)在液壓缸上鉸點附近。
對于游藝機的重要部件，Q235鋼復合許用應力為84MPa，因此經(jīng)過有限元分析，可知主臂的強度通過要求，且與理論計算值相差在5%以內(nèi)，符合校核標準，說明兩種方法結果吻合。
通過對比兩種分析方式的結果，可知應用ANSYS軟件分析得到的應力值與通過傳統(tǒng)計算得到的計算值是接近的，因此使用ANSYS軟件進行游藝機的設計復核工作完全可行，且可以大大減輕工作量，提高工作效率。此外，由有限元分析云圖可知，最大位移位于主臂的尾部，因此在允許條件下，液壓缸上鉸點的選取應偏向尾部；而最大應力顯示發(fā)生在液壓缸上鉸點附近，因此，可在主臂中部耳板處設置加強板，可以有效避免應力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。
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