雙層轉馬三維有限元分析

鄧明星 (武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081)

張 強 (廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

雙層轉馬三維有限元分析

鄧明星 (武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081)

張 強 (廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

旋轉木馬是常見的游樂設施。其結構安全性、穩定性尤為重要。按照相關規范，使用有限元分析軟件Ansys對某廠生產的雙層旋轉木馬進行了合理的簡化建模，并考慮了其使用過程中多種可能出現的載荷條件，對雙層轉馬結構的各種極限工況進行了靜力學三維有限元分析，找出了位移和應力最大的危險位置，確保設計滿足安全性能要求，為其結構優化提供有力依據。

雙層轉馬；有限元；靜力學

旋轉木馬是游樂場、廣場、公園、幼兒園等各類室內外游樂場地中常見的機動游樂設施，它的安全性是其最為被關注的性能。美國ASTM技術委員會更是提出了《游樂乘騎裝置和設備設計規范》對游樂乘騎裝置和設備的設計以及重大調整的具體規則進行了詳盡的規定[1]。在工作過程中，旋轉木馬受風載、乘客重量及其離心力、自重力等的影響。為了解雙層轉木馬關鍵承載構件在設計工況下的受力情況及全面掌握這些構件的受力特性，避免發生事故，并為設計合理性和安全鑒定提供科學依據，必須對其進行受力分析，判斷其結構是否能滿足剛度和強度要求，以保證其安全性。

下面，筆者以76人的雙層轉馬為例，在Ansys有限元分析軟件的平臺下進行了分析，對無風滿載、6級風偏載、12級風3種極限工況下的位移及應力分布進行了分析，為優化其結構提供理論基礎。

1 雙層轉馬的有限元建模與載荷處理

1.1有限元建模

雙層轉馬一般由主機架、一層轉盤部件結構、二層轉盤部件結構和座車車架、座馬搖桿部件和輔助裝置等組成。建立雙層轉馬幾何模型(局部區域如焊接用連接板，因結構復雜，并且不是關鍵承載零件，所以在建模過程中予以簡化)時，可采用板、梁和桿單元對各構件進行網格離散，而后添加實常數的方式添加有限元參數；對梁單元而言，還必須注意保證截面主軸方向與實際一致。當采用桿單元對構件進行模擬時，必須保證該構件不能存在較大的橫向載荷，并且該構件相對于相鄰的構件而言剛度較小。

實際建模時，按照下述原則進行結構簡化：①對于桁架的大部分桿件而言，其截面尺寸相對于長度尺寸而言較小，可直接簡化為梁單元，在Ansys中采用beam4單元進行網格離散，而后賦值相應的截面常數；②對于部分承受較少橫向載荷的桿件，則離散為桿單元，即采用Ansys軟件中的link8單元進行網格的離散，并且賦予各桿件相應的截面實常數；③結構中所用到面板均離散為板殼單元，即采用Ansys軟件中的shell63單元進行網格離散后附厚度常數[2]。

1.2邊界約束及載荷處理

雙層轉馬主機架底板須與地下埋件固定以保證轉馬的穩定。在計算過程中，約束主機架底板所有節點的X、Y、Z向位移和轉動自由度，即近似認為主機架與埋件之間采用剛性連接，埋件無位移。同樣對主機架的支承梁底部節點X、Y、Z向位移和轉動自由度進行約束。由于一層轉盤下支架組件由轉盤定位輪座對X、Y、Z向位移和X、Y向轉動自由度進行約束，僅保留Z向的轉動自由度。同理二層轉盤下支架組件的約束情況與一層轉盤下支架組件情況相同。

轉馬作為娛樂設施，在運行時受多種載荷[3-4]的影響，主要如下：

1)自重 轉馬本身有重量，在設計時必須予以考慮，對豎向施加加速度9.83m/s2，即以體力(Body Load)的方式雙層轉馬的結構自重。

2)風載 露天設備的大型桁架結構應考慮風載荷。根據《機械設計手冊》進行風載荷的計算：

Pw=CKhqA

(1)

式中，Pw為作用在機器上或物品上的風載荷，N；C為風力系數，此處取C=1.2；Kh為風壓高度變化系數，由公式Kh=(h/10)0.3計算，h為高度；q為計算風壓，q=0.613v2，N/m2；A為垂直于風向的迎風面積，m2。單片結構的迎風面積A=φA1，其中，A1為結構或物品的外輪廓面積，m2；φ為結構的充實率，由于實體結構為型鋼制成的桁架，取φ=1。

在Ansys中施加風載，以方向力的形式，將風載數值分別平均到桁架結構迎風面節點上。

3)乘客重量和離心力 乘客重量在計算中必須予以考慮。特別的，在6級風作用下乘客只分布在轉馬的某一側時，還需要考慮人體重量偏載的離心力對轉馬機架的影響。

4)地震影響 對于受地震破壞影響的機械設備鋼機架，如其上無重型集中載荷，基礎又不在Ⅲ、Ⅳ類土場地(飽和松砂、淤泥和淤泥質土、充填土、雜填土等)，在地震烈度小于或等于8時，不必校驗地震破壞。

2 極限工況靜力特性分析

2.1無風滿載工況

雙層轉馬在無風滿載運行工況下，需考慮結構自重、乘客重量等因素，轉馬結構總體位移情況如圖1所示，最大總體位移為9.202mm，位于第2層下支架4座座馬位置。轉馬結構總體應力分布如圖2所示，最大應力為75.294MPa，位于立柱上法蘭處，主要由于立柱與主機架的電機在轉馬一側作用造成。

圖1 滿載綜合位移分布 圖2 滿載綜合應力分布

2.26級風偏載工況

在6級風偏載運行工況下，考慮轉馬結構自重、乘客重量及6級風載等因素對轉馬結構受力的影響。

轉馬結構總體位移情況如圖3所示，最大總體位移為11.752mm，位于第2層下支架4座座馬位置。轉馬結構總體應力分布如圖4所示，最大應力為66.158MPa，位于主機架上法蘭處，主要由于立柱與主機架的電機在轉馬一側和半數乘客、6級風偏載及乘客離心力作用造成。

圖3 6級風載綜合位移分布 圖4 6級風載綜合應力分布

對轉馬結構第2層轉盤結構的綜合位移與綜合應力分析可知，轉馬總體最大位移在該層，如圖5所示；此層的最大應力為53.773MPa，位于第2層轉盤主架組件的下法蘭處。對轉馬結構主機架與立柱綜合位移與綜合應力分析可知，其最大位移分布在立柱上法蘭位置，大小為1.661mm；最大應力分布在主機架上法蘭位置處，大小為66.158MPa，如圖6所示。

圖5 6級風載上支架綜合位移分布 圖6 6級風載主機架與立柱綜合應力分布

2.312級風偏載工況

在12級風下，轉馬應處于非運行狀態，計算時僅考慮結構自重及12級風載等因素對轉馬結構受力的影響。經過計算分析，轉馬最大總體位移為5.505mm，位于第2層上支架的外側位置，如圖7所示。轉馬結構總體應力分布如圖8所示，最大應力為76.11MPa，位于主機架上法蘭處，主要由于立柱與主機架的電機在轉馬一側和12級風偏載作用造成。

圖7 12級風載綜合位移 圖8 12級風載綜合應力

在12級風情況下，轉馬總體最大位移在第2層轉盤，其綜合位移分布圖如圖9所示，這層的最大應力為51.61MPa，位于第2層轉盤主架組件的下法蘭處；總體最大應力分布在主機架上法蘭位置處，大小為76.111MPa，如圖10所示；經分析轉馬結構主機架和立柱綜合位移與綜合應力分布圖知，最大位移分布在立柱上法蘭位置，大小為2.165mm。

3 結 論

1)雙層旋轉木馬結構復雜，在進行有限元建模時可將非關鍵承載部件簡化以簡化整個雙層轉馬的三維有限元模型，提高計算分析的效率。

圖9 12級風載上支架綜合位移分布 圖10 12級風載主機架與立柱綜合應力分布

2)雙層轉馬在各運行工況下，其最大位移均發生在第2層轉盤處，而最大應力則出現在主機架上法蘭處。因此，設計中可在保證各部件的強度條件下，適當減小非關鍵部位的尺寸，以減小轉馬的自重。

3)三維有限元分析方法能使設計者在設計階段全面了解整個設計的應力與位移的分布情況，避免設計失誤帶來的安全問題，并為結構優化提供了有力的依據。

[1]張榮忠.美國旋轉木馬和過山車游樂乘騎標準[J].標準生活，2009(7):49-57.

[2]趙經文.結構有限元分析[M].北京: 科學出版社,2001.

[3]GB50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[4]熊丹安.建筑抗震設計簡明教程[M].廣州：華南理工大學出版社,2006.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.047

TH133

A

1673-1409(2012)08-N143-04

2012-05-23

鄧明星(1980-)，女， 2003年大學畢業，碩士,講師，現主要從事機械設計及理論方面的教學與研究工作。

[編輯] 洪云飛