基于ANSYS游乐设备大摆锤三维设计

基于ANSYS游乐设备大摆锤三维设计
刘海生;王会刚;董英楠
【摘要】结合现代设计理论,进行了游乐设备大摆锤的三维造型.基于有限单元法,
对大摆锤转筒及吊臂进行了受力分析,得到了其应力分布场,分析结果对保证转筒及吊臂结构强度有重要的指导作用,对游乐设备大摆锤设计也有一定的参考价值.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2010(000)006
【总页数】2页(P45-46)
【关键词】游乐设备;大摆锤;转筒及吊臂;有限元法;应力场
【作者】刘海生;王会刚;董英楠
【作者单位】唐山学院机电工程系,唐山,063000;唐山学院机电工程系,唐
山,063000;北京九华游乐设备制造有限公司,北京,100081
【正文语种】中文
【中图分类】TH12
1 引言
大摆锤游艺机属观览车类游乐设备，座椅分布在六个均匀分布的大臂上，设备顶部由电机驱动使摆锤沿水平面做大角度摆动，同时座椅大转盘在电机的驱动下做360°旋转。

大摆锤游艺机由立柱、吊臂、回转机构、驱动装置、座椅转盘、转筒、侧向固定架等部分组成。

各零部件的安全系数要求很高。

基于大型分析软件，对某厂大摆锤游艺机进行了三维造型，并对关键件转筒及吊臂进行了受力分析，得到了其应力分布场。

2 三维造型
三维设计是当今机械设计的趋势，尤其对现代化程度高的企业。

三维造型可以更直观，可以校验机械零部件的运动干涉、装配干涉，还可以为进一步做有限元分析、运动分析等打下基础。

2.1 设备主要参数
大摆锤设备主要参数如下：
长×宽×高：13×13×11（m）乘载人数：18 人
最大摆动半径：13.7m 最大复摆角度：±120°
转盘转速：12r/min
2.2 造型关键技术
（1）大摆锤零部件较多且形状复杂，多为旋转件，呈圆心对称分布。

可以先绘制前视图，再利用旋转、阵列、拉伸切除、倒圆角、钻螺钉孔等特征，从而逐个完成三维造型。

（2）以支架等作为固定零件，之后逐一加入与之有配合关系的相邻零件，完成装配，其中可以添加间隙与过盈关系等。

典型结构的最终三维造型，如图1～图3 所示。

图1 转筒三维模型
图2 侧向固定架三维模型
3 转筒及吊臂受力分析
转筒及吊臂是大摆锤最关键的受力部件，基于ANSYS 对其进行有限元分析。

3.1 实体模型
实体模型可以从前述三维造型导入，如图4 所示。

图3 大摆锤三维模型
图4 转筒及吊臂三维模型
3.2 有限元模型
运用有限元软件ANSYS 分析转筒及吊臂的应力及位移，首先要计算所受力大小。

（1）轴向力：运用Pro/E 计算的座椅加人的质量59700N，由于在ANSYS 里已经设定密度值，即转筒和吊臂的重量已经存在，故外加载荷无需算入内，又在选取回转支承时已算得离心力为191800N，故可计算出轴向力为251500N。

（2）切向力：根据已知扭矩T=18214N.m，力矩L=9308mm，则可求得切向力
=T/L=1957N。

基于前述，建立有限元模型[1]。

单元类型：根据实体结构复杂的特点，选用四面体单元进行自由网格划分。

转筒加吊臂有限元模型共有51642 个节点，26394个单元。

材料模型：材料为45，抗拉强度бb=600Mpa，屈服点бs=355Mpa，波松比为0.3，弹性模量E=2.06E5，密度为7.85E-6。

约束施加：轴向力、切向力施加。

在吊臂底部，施加在与吊臂焊接的圆法兰盘上。

3.3 分析结果
典型位移云图，如图5 所示。

应力云图，如图6、图7 所示。

图5 转筒及吊臂位移云图
图6 吊臂底部应力云图（应力最大处）
图7 转筒及吊臂应力云图
结果讨论：根据GB8405-2000 规定，观览车类设备的动载系数KV取1.5，45#钢的抗拉强度σb取600MPa，查得《游乐设施实用手册》表2[4]许用安全系数［n］=3.5，前述计算得知最大应力为88.803MPa，则转筒的安全系数n 计算如下：
因此可确定转筒及吊臂安全可靠。

4 结论
（1）大摆锤属于三种运动形式同时进行的游乐设备，运用三维软件对其进行三维设计，既提高了设计效率，又保证了设计质量。

（2）转筒和吊臂是大摆锤主要受力部件，座椅全部重量都是由其承受。

对转筒及吊臂进行了有限元分析，得出了应力云图，根据游乐设施标准检验知其是安全可靠的。

参考文献
【相关文献】
1 张胜民编著.基于有限元软件ANSYS7.0 的结构分析.北京：清华大学出版社，2003
2王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值计算.北京：清华大学出版社，1996
3 叶建平，管坚，肖原.基于B/S 结构的游乐设施检测管理系统研究［J］.武汉理工大学学（交通科学与工程版），2006（2）
4 全国索道游艺机及游乐设施标准化技术委员会编.游乐设施使用手册（第二版），2008（5）。