大摆锤动力学分析报告报告材料

大摆锤是常见的游乐设施，通过整体结构分析，得到大摆锤的整体及各个部件的结构应力。然而大摆锤的很多工况是不能简化成静力学的，需有动力学解之。

模态分析是动力学分析的基础，大摆锤的悬臂按照一定周期摆动，需对大摆锤的整体结构进行模态分析，这样在产品设计之前可以预先避免可能引发的共振。

大摆锤的立柱是受压缩的细长杆件，当作用的载荷达到或超过一定限度时就会屈曲失稳，除了要考虑强度问题外，还要考虑屈曲的稳定性问题。

对大摆锤整体结构强进行动力学评价与分析，分别计算大摆锤转盘在满载和偏载工况下，大摆锤悬臂摆动，对整个结构的影响；以及悬臂的摆角在120°、90°和45°时立柱的结构应力；大摆锤立柱的屈曲分析；悬臂驱动制动分析；整体结构的模态分析。为顺利安全的生产运行提供数据支持。

2 主要工作内容

（1）建立整体的动力学分析模型，计算满载和偏载工况下，立柱的受力情况；（2）计算大摆锤悬臂摆角在120°、90°和45°时立柱的结构应力强度；（3）悬臂驱动制动分析，以及驱动制动对立柱的影响；

（4）大摆锤整体的模态分析；

（5）大摆锤立柱的屈曲分析。

3 大摆锤的刚体动力学分析

3.1 材料参数

整体结构材料：Q235钢。材料力学参量为：材料密度为 =7.85 t/m3。

3.2 几何模型

使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)14.0多物理场协同CAE仿真软件，对大摆锤的整体进行建模，分别建立立柱、悬臂、大转盘建，并在软件中进行装配，如图3所示。

（a）大摆锤整体结构（b）转盘局部结构

（c）大摆锤悬臂（d）大摆锤立柱

图2 大摆锤整体装配模型

3.3载荷与约束

立柱的底板固定在地方面，因此在立柱底板与地面之间，施加固定（Fixed）约束，模拟底板与地面之间的紧固连接。

在重力作用下，悬臂绕转筒中心轴转动，在悬臂的横臂的内表面和立柱固定筒之间，施加旋转幅（Revolute），模拟悬臂绕横梁转动。

在悬臂摆动的过程中，大转盘同时绕着悬臂的中轴线转动，转动的角速度为1.07rad/s。悬臂与大转盘之间，施加旋转幅（Revolute），模拟大转盘绕悬

臂的转动。

悬臂在整个摆动周期内，受到地球重力的作用，做周期性的摆动，施加标准的重力加速度，方向为Ｙ的负向。

载荷与约束如图5所示。

（a）整体的载荷与约束（b）转盘施加1.07rad/s的角速度

图3 大转盘载荷与约束示意图

3.4 刚体动力学分析结果

使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)14.0中的刚体动力学分析模块Rigid Dynamics，对大摆锤进行动力学分析。

为了模拟满载和偏载对立柱的影响，分两种工况对大摆锤进行分析。设定分析时间为20s。

工况1：满载时，大摆锤的动力学响应；

工况2：偏载时，大摆锤的动力学响应。

为了模拟启动制动对立柱的影响，模拟启动制动分析，启动制动时间为0.5s，角速度变化为0.13r/s。设定完成后，对启动制动进行动力学分析。

3.4.1 工况1：满载时，大摆锤的动力学响应

在满载工况下，大摆锤的悬臂和转盘，在重力作用下，绕转筒做左右摆动，整个摆动过程如图4所示。箭头表示立柱上部受到悬臂摆动过程中的反作用力。

（a）大摆锤运动状态1 （b）大摆锤运动状态2

（c）大摆锤运动状态3 （d）大摆锤运动状态4

（e）大摆锤运动状态5 （f）大摆锤运动状态6

图4 工况1大摆锤动力学分析中摆动状态图

悬臂在摆动过程中，立柱受到悬臂的反作用力，三个方向的反作用力及总的反作用力如图5（a）所示，悬臂受到总的反作用力最大为658.55KN，总的反作用力最大值与Y向反作用力的最大值重合，表明大摆锤运动到底部时，受到

的反作用力主要由Y向反作用力提供，大摆锤运动到底部时，受到的载荷最大。Z向的反作用力最大为0.000386KN，由于为满载，Z向始终保持平衡，反作用力几乎为零。具体数据见附表1。

（a）立柱反作用力的载荷时间曲线

（b）立柱受到Z向反作用力的载荷时间曲线

图5 工况1立柱受到悬臂的反作用力曲线图

3.4.2 工况2：偏载时，大摆锤的动力学响应

在偏载工况下，大摆锤的悬臂和转盘，在重力作用下，绕转筒做左右摆动，整个摆动过程如图6所示。箭头表示立柱上部受到悬臂摆动过程中，反作用力的大小。

（a）大摆锤运动状态1 （b）大摆锤运动状态2

（c）大摆锤运动状态3 （d）大摆锤运动状态4

（e）大摆锤运动状态5 （f）大摆锤运动状态6

图6 工况2大摆锤动力学分析中摆动状态图

悬臂在摆动过程中，立柱受到悬臂的反作用力，三个方向的反作用力及总的反作用力如图7（a）所示，悬臂受到总的反作用力最大为574.43KN，总的反作用力最大值与Y向反作用力的最大值重合，表明大摆锤运动到底部时，受到

的反作用力主要由Y向反作用力提供，大摆锤运动到底部时，受到的载荷最大。Z向的反作用力最大为0.14 KN，如图7（b）所示，由于为偏载，Z向反作用随着转盘的周期转动，呈现周期性变化。具体数据见附表2。

（a）立柱反作用力的载荷时间曲线

（b）立柱受到Z向反作用力的载荷时间曲线

图7 工况2立柱受到悬臂的反作用力曲线图

3.4.3 大摆锤启动制动的动力学响应

悬臂在启动制动过程中，立柱受到悬臂的反作用力，三个方向的反作用力

及总的反作用力如图8所示，悬臂受到总的反作用力最大为200.25KN ， 其中Y 向反作用力最大为193.75KN ，X 向反作用力最大为50.627KN ，Z 向反作用力几乎为零，可以忽略不计，具体数据见附表3。

图8 启动制动立柱受到悬臂的反作用力曲线图

3.5 小结

本节中，分别对大摆锤在满载工况和偏载工况下，进行了刚体动力学的分析，并得到，在悬臂摆动过程中，两种工况下，悬臂对立柱转筒的反作用力。分析结果表明：

（1）在整个摆动周期内，当悬臂运行到最底部时，立柱受到的载荷最大；

（2）在偏载工况下，由于偏载，对立柱的影响很小，偏载载荷为总反作用力的：KN

KN 43.57414.0=0.2%； （3）启动制动过程中，悬臂等附属结构对立柱产生反作用力，为进一步有限元分析的前提输入条件。

4 不同悬臂摆角下立柱的有限元分析

由上一节分析可知，由于转盘的偏载，对立柱的影响很小（大约0.2%），所以只计算满载工况下，悬臂在不同摆角时，立柱的结构应力。