基于ANSYS Workbench的高空飞翔极限风载荷计算

第６期（总第２２３期）
２０２０年１２月
机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．
文章编号：１６７２ ６４１３（２０２０）０６ ０１９３ ０３
基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的高空飞翔极限风载荷计算
赵九峰１，马　宁２，张劲松２
（１．河南省特种设备安全检测研究院，河南　郑州　４５００００；２．中国特种设备检测研究院，北京　１０００２９）摘要：以大型游乐设施高空飞翔为研究对象，对其在极限工况下的风载荷进行了详细计算，给出了一些参数和计算公式的确定方法，并通过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真平台，建立高空飞翔整体结构的有限元模型，进行静态分析计算。

计算结果表明高空飞翔能够抵抗５０年一遇风载荷的影响，其计算方法和结果为其他大型游乐设施风载荷的计算提供了参考。

关键词：高空飞翔；风载荷；极限工况；ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中图分类号：ＴＰ３９１．７∶ＴＳ９５２．８ 文献标识码：Ｂ
收稿日期：２０２０ ０３ ０９；修订日期：２０２０ １０ ２５
作者简介：赵九峰（１９８１
），男，河南平顶山人，高级工程师，硕士，主要从事游乐设备设计、计算、结构仿真与载荷响应研究。

０　引言
风载荷是大型游乐设施设计的重要计算载荷，关系到游乐设施的稳定性、安全性。

在大型游乐设施的
设计计算和施工过程中，
应全面把握风载荷的影响，以确保乘客和设备的安全。

所以国家相关规范中要求，大型游乐设施设计文件、鉴定文件需包含关于极限风
载荷工况下主要受力部件的强度校核［
１
］。

高空飞翔是安装在室外的大型游乐设施，是飞行
塔类游艺机中的一个品种［２］
，具有大长宽比的高耸钢
结构，
风载荷对设备的影响不可忽略。

因此，分析研究高空飞翔在风载荷作用下的应力响应，
对确保高空飞翔的安全具有重要的意义。

１　风载荷计算参数
本文以３２ｍ高空飞翔为计算对象，它主要是由塔体、配重和提升臂架等几部分组成，主体结构为钢结构，材料为Ｑ２３５Ｂ（屈服强度σ狊＝２３５ＭＰａ）。

塔体立柱宽度为犅＝１．５ｍ，高度犎＝３２ｍ（不包括避雷针），基本自振周期犜＝０．４ｓ
，提升臂架的轮廓面积为犛１＝
２ｍ２
，高空飞翔的结构简图如图１所示。

１－塔架部件；２－配重部件；３－提升臂架部件
图１　高空飞翔结构简图
根据ＧＢ８４０８—２０１８
《大型游乐设施安全规范》中６．１．２．１０规定：
风载荷分为正常使用工况载荷和极限工况载荷，风载荷的取值及计算方法按照ＧＢ５０００９中
的规定执行［３
］。

由《起重机机械金属结构》：计算风载荷时，认为它是一种任意方向作用的水平力，极限工况
风载荷是非工作情况下受到的当地最大计算风载荷［４
］。

根据ＧＢ５０００９—２０１２《建筑结构荷载规范》８．１．１：计算主要受力结构时，垂直于设备表面上的风荷载标
准值［５］
为：
狑犽＝β狕狌狊μ
狕狑０．（１）其中：狑犽为风荷载标准值，ｋＮ／ｍ２
；β狕为高度狕处的风振系数；狌狊为风荷载体型系数；μ
狕为风压高度变化系数；狑０为基本风压值，ｋＮ／ｍ
２。

由《起重机设计规范》表１９可知：
计算非工作状态风载荷时，可沿高度划分成１０ｍ高的等风压段进行
计算，也可取结构顶部的计算风压作为设备全高的定
值风压［６］。

保守计算，本文不对高空飞翔全高分段计算风压，按照全高定值风压去计算校核极限工况风载荷的各个计算参数。

１．１　基本风压值狑０
风速与风压的关系为［７］
：
狑０＝狏２１６００
．（２）其中：狏为计算风速，ｍ／ｓ。

游乐设施的设计，按最大运行风速１５ｍ／ｓ计算正常使用工况下的风载荷，则游乐设施工作状态下的风
压值为狑０＝０．１４ｋＮ／ｍ２。

极限工况风载荷是游乐设备在不工作时能承受的
最大风力作用，
以当地比较空旷平坦的地面上离地１０ｍ高，统计所得的５０年一遇１０ｍｉｎ平均最大风速
为标准计算基本风压。

按照《起重机设计规范》表１８可知：我国非工作状态风压的取值，内陆的华北、华中
和华南地区取狑０＝０．５ｋＮ／ｍ
２
，内陆的西北、西南、东北和长江中下游等地区取狑０＝０．６ｋＮ／ｍ
２
，沿海地区
取狑０＝
０．６ｋＮ／ｍ２～１．０ｋＮ／ｍ２，以上海为界，上海地区取狑０＝
０．８ｋＮ／ｍ２
，上海以北取小值，以南取大值。

综上可知，游乐设施在极限工况风压取狑０＝
０．８ｋＮ／ｍ２可以覆盖我国大部分地区，
因此本文按此值校核高空飞翔在极限工况风载荷下的受力情况。

１．２　风振系数β狕
风对设备的作用是不规则的，风压随风速、风向的
变化而不停地改变。

实际工程使用中，
游乐设备结构上的风荷载可分为两种成分：
平均风和脉动风。

平均风压使设备产生一定的侧移，而脉动风压使其在该侧
移附近左右振动［８］。

目前采用加大风荷载的办法来考
虑这个动力效应，
在风压值上乘以风振系数［９］。

对于低矮、刚度比较大的结构，脉动风压引起的结
构振动效应比较小，
一般不需要考虑脉动风振作用，而仅考虑平均风压作用。

对于３０ｍ以下且高宽比小于
１．５的结构，风振系数取β狕＝
１．０［１０］。

对于高度较大、刚度较小的游乐设施，脉动风压会产生不可忽略的动
力效应；高度大于３０ｍ、高宽比大于１．５的高耸结构，
需考虑脉动风振作用。

根据ＧＢ５０１３５—２０１９《高耸结构设计标准》４．２．９：高耸结构在狕高度处的风振系数为：
β狕＝１＋ξ
ε１ε２．（３）其中：ξ为脉动增大系数；ε１为风压脉动和风压高度变化等的影响系数；ε２为振型、
结构外形的影响系数。

脉动增大系数与设备基本风压、自振周期犜和阻
尼比有关，
按表１取值。

表１　钢结构脉动增大系数ξ
狑０犜２
（ｋＮ·ｓ２／ｍ
２）０．０２０．０４０．０６０．０８０．１０．２０．４０．６０．８１．０ξ
１．５７１．６９１．７７１．８３１．８８２．０４２．２４２．３６２．４６２．５３
高空飞翔狑０犜２＝０．
１３ｋＮ·ｓ２／ｍ２
，由表１通过插值计算，可得脉动增大系数ξ＝１．９。

风压脉动和风压高度变化等的影响系数与设备的
高度和地面的粗糙度类型有关，
地面的粗糙度分为４类，游乐设施多分布在城市郊区，为Ｂ类粗糙度，ε１按表２取值。

表２　风压脉动和风压高度变化等的影响系数ε１
总高度犎（ｍ）
１０２０４０６０８０１００ε１
０．９３
０．８６
０．７７
０．７１
０．６６
０．６２
由高空飞翔犎＝３
２ｍ，由表２通过插值计算，可得风压脉动和风压高度变化等的影响系数ε１＝
０．８１。

振型和结构外形的影响系数与设备的相对高度、顶部与底部的相对宽度有关，按照《高耸结构设计标
准》表４．２．９－２可得ε２＝１．０。

将相关参数代入式（３）可得高空飞翔的风振系数：β狕＝２．５４。

１．３　体型系数狌狊
体型系数也称空气动力系数，它是风在工程结构表面形成的压力（或吸力）与按来流风速算出的理论风压的比值。

它反映出稳定风压在工程结构表面上的分
布，
并随结构的形状、尺度以及气流方向等而异［１１
］。

体型系数与设备的挡风系数和结构型式有关。

挡风系数φ可按照下式计算：
φ＝犃０
犃．
（４）其中：犃０为结构净投影面积，ｍ２
；犃为迎风面轮廓面
积，ｍ
２。

根据高空飞翔塔体结构图纸，经计算挡风系数为
０．２。

主体结构由不同型号的方管焊接而成，
因此可类比《建筑结构荷载规范》表８．３．１中第３３项来计算体型系数。

μ狊＝μ狊狋φ１－η狀
１－η
．
（５）其中：μ
狊狋为方管体形系数，值为１．３；狀为榀的数目，塔体前后共２榀，值为２；η为折算系数，
值为０．８５。

将相关参数代入式（５）计算，得塔体的整体体形系数μ狊＝０．４８。

１．４　风压高度变化系数μ狕
设备所承受风压大小随高度的增加而加大。

为了
反映这个事实，
计算风载荷时，包含有这个反映高度效应的系数，
其变化规律与设备高度和地面粗糙度有关。

按照Ｂ类粗糙度，风压高度变化系数可按表３取值。

表３　风压高度变化系数μ狕
总高度犎（ｍ）５
１０１５２０３０４０５０６０７０８０
μ
狕１．００１．００１．１３１．２３１．３９１．５２１．６２１．７１１．７９１．８７
高空飞翔犎＝３
２ｍ，由表３通过插值计算，可得μ狕＝１．４。

１．５　极限风载荷
由公式（１）可得：狑犽＝２．５４×０．４８×１．４×０．８＝
１．４ｋＮ／ｍ２。

高空飞翔迎风面的轮廓面积为：
犃＝犅犎＋犛１．
（６）将相关参数代入式（６）计算得犃＝５０ｍ２。

高空飞翔在极限风载工况下受到的等效水平力为：
犉＝狑犽犃．（７
）将相关参数代入式（７）计算得犉＝７０ｋＮ。

２　有限元分析
高空飞翔在极限风载荷工况下，仅受到重力作用
和极限风载荷的水平力作用，
为了保证整体结构具有足够的强度，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元分析软件对其进行静力学分析，在极限风载荷工况下，提升臂架部件放置在塔体底部，采用２节点的梁单元
（ＢＥＡＭ１８８）［１２］
，建立有限元模型如图２（ａ
）所示。

塔体立柱底部固定在基础上，故底部施加固定约束
（Ｆｉｘｅｄ）。

考虑自重的影响，整体施加９．８ｍ／ｓ
２
的向下重力加速度，塔体和提升体一侧施加７００００Ｎ的水平
载荷。

座舱、配重等部件采用ＭＡＳＳ２１质量单元，附加在整体结构相应位置上，载荷与约束如图２（ｂ
）所示。

图２　高空飞翔模型与载荷
在重力载荷和极限风载荷作用下进行静力分析，求解成功后进入后处理得到，高空飞翔应力云图如图
３所示，应力最大值为１１３ＭＰａ
，出现在塔体根部。

３　结论
本文以某３２ｍ高空飞翔为工程背景，
利用有限·
４９１·机械工程与自动化 ２０２０年第６期　
元仿真软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对高空飞翔整体结构在极限风载荷工况下进行模拟分析计算，计算结果表明：在极限风载荷作用下，高空飞翔主体结构未发生
永久变形，
即结构的最大应力未达到屈服强度。

这表明高空飞翔能安全地抵御５０年一遇的风载荷影响，保证设备能够安全地运营，其计算方法和结果为其他大型游乐设施风载荷的计算提供了参考。

图３　高空飞翔应力云图
参考文献：［１］　胡亮．
基于ＡＮＳＹＳ／Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ水滑梯极限风载荷强度校核［Ｊ］．科技与创新，２０１７（１４）：１０８ １０９．
［２］　赵九峰．
基于ＡＮＳＹＳ的高空飞翔卷筒强度分析［Ｊ］．机械研究与应用，２０１８（６）：３０ ３１．
［３］　中国特种设备检测研究院，
江苏省特种设备安全监督检验研究院，
中山市金马科技娱乐设备股份有限公司，等．ＧＢ８４０８—２０１８大型游乐设施安全规范［Ｓ］．
北京：中国标准出版社，２０１８：３２ ３３．［４］　董达善．起重机械金属结构［Ｍ］．
上海：上海交通大学出版社，２０１１．［５］　中国建筑科学研究院，
同济大学，中国建筑设计研究院，等．ＧＢ５０００９—２０１２建筑结构荷载规范［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１２：３０ ６４．［６］　国家起重运输机械质量监督检验中心，
上海振华港机（集团）
股份有限公司，太原重型机械（集团）有限公司，等．ＧＢ３８１１—２００８起重机设计规范［Ｓ］．
北京：中国标准出版社，２００８：１０ ２５．［７］　韩振生．港口机械风载荷计算标准的应用［Ｊ］．
港口装卸，２０１６（６）：４２ ４５．
［８］　李先顺，
柳景虹．中、美、欧标准中风荷载计算对比研究［Ｊ］．钢结构，２０１７（７）：８７ ９１．［９］　陈宇峰，
杨凌成，王曙光．大跨空间结构风致动力稳定分析［Ｊ］．南京工业大学学报（自然科学版），２０１３（４）：９１ ９６．［１０
］同济大学，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，中冶东方工程技术有限公司，等．ＧＢ５０１３５—２０１９高耸结构设计标准［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１９：１５ ３５．［１１］赵碧，肖湘．
关于大悬挑钢管结构雨棚风荷载计算的探讨［Ｊ］．有色金属设计，２０１１（２）：４１ ４３．［１２］赵九峰．基于ＡＮＳＹＳ的摩天轮安装模拟分析［Ｊ］．
机械工程与自动化，２０１９（２）：３８ ４１．
犆犪犾犮狌犾犪狋犻狅狀狅犳犈狓狋狉犲犿犲犠犻狀犱犔狅犪犱犳狅狉犎犻犵犺犉犾狔犻狀犵犅
犪狊犲犱狅狀犃犖犛犢犛犠狅狉犽犫犲狀犮犺
犣犎犃犗犑犻狌 犳犲狀犵１，犕犃犖犻狀犵２，犣犎犃犖犌犑犻狀 狊狅狀犵
２（１．ＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳａｆｅｔｙＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｓｐ
ｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１
０００２９，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅａｍｕｓｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｆｌｙｉｎｇａｔｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊ
ｅｃｔ，ｔｈｅｗｉｎｄｌｏａｄｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｎｄｓｏｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ａｎｄｔｈｒｏｕｇ
ｈｔｈｅＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅｆｌｉｇ
ｈｔｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＨｉｇｈｆｌｙｉｎｇｃａｎｒｅｓｉｓｔｔｈｅｉｍｐ
ａｃｔｏｆｗｉｎｄｌｏａｄｏｎｃｅｉｎ５０ｙｅａｒｓ，ａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｌｏａｄｏｆｏｔｈｅｒｌａｒｇ
ｅａｍｕｓｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｓ．
犓犲狔
狑狅狉犱狊：ｈｉｇｈｆｌｙｉｎｇ；ｗｉｎｄｌｏａｄ；ｅｘｔｒｅｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆
ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ（上接第１９２页）
丝杠伸长时小于１，缩短时大于１），发现第１２次采集的数据中光栅尺的读数为３８０．０００８ｍｍ，
非常接近当初设定值３８０ｍｍ，
且修正之后采样点在视觉系统中的坐标也接近基准坐标。

实验证明其接近的程度取决于脉冲当量更新的频率，每次脉冲当量的更新都是以上一次采样的数据为基准的。

４　结论
实验表明，通过视觉系统实时检测犃点沿丝杠轴线方向坐标的变化，可实时反映出丝杠膨胀伸缩的变化；同时根据上一次采集的数据实时修正脉冲当量系数，可
方便有效地纠正丝杠涨缩的定位偏差，在有视觉系统的场合可以有效地提高丝杠的定位精度和重复定位精度。

参考文献：
［１］　吴金泉．
数控机床滚珠丝杠副选用及安装［Ｊ］．机电技术，２０１１（５）：６５ ６６．
［２］　陈曼龙．
数控机床丝杠误差补偿面临的问题［Ｊ］．机电一体化，２００９（２）：７０ ７１．［３］　张慧良．
滚珠丝杆温升及热变形对策［Ｊ］．现代机床，２００１（４）：６ ７．［４］　吴茂，
曾小慧．半闭环数控系统滚珠丝杠副的误差补偿［Ｊ］．机床与液压，２００７，３５（８）：５２ ５３．［５］　
涂雪飞，易传云，钟瑞玲，等．基于光栅尺的数控机床定位精度和重复定位精度检测［Ｊ］．机械与电子，２０１２（４）：３２ ３４．
犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋犪狀犱犆狅犿狆犲狀狊犪狋犻狅狀犳狅狉犜狉犪狀狊犿犻狊狊犻狅狀犈狉狉狅狉狅犳犛犮狉犲狑犛狔
狊狋犲犿犔犐犎狅狀犵
犾犻，犃犗犎狌犻 犾犪狀（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＺｈｅｎｇｙｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｏｎｇｇ
ｕａｎ５２３８０８，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｐｅａｔｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａ
ｒｅｒｅｄｕｃｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｌｉｎｅａｒｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅ，ａｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｒｅａｌ ｔｉｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｕｐ
ｄａｔｅｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｏｆｔｈｅｖｉｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇ
ｗｉｔｈｔｈｅｒｅａｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｒ
ｕｌｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｐｅａｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｌｅａｄｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｏｕｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔ
ｈｅｃｏｓｔ．犓犲狔
狑狅狉犱狊：ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｒｒｏｒ·
５９１·２０２０年第６期 机械工程与自动化　。