一種新型柔性連接結(jié)構(gòu)的分析

劉 輝，吳正平，陳云峰

（深圳華強智能技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518005）

一種新型柔性連接結(jié)構(gòu)的分析

劉 輝，吳正平，陳云峰

（深圳華強智能技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518005）

介紹一種應(yīng)用于提升平臺結(jié)構(gòu)的新型柔性連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一定的空間調(diào)節(jié)功能，并能夠有效地減少沖擊載荷對支撐結(jié)構(gòu)的影響，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而提高使用壽命。

柔性連接；沖擊；支撐結(jié)構(gòu)；應(yīng)力；壽命

隨著生活水平的提高，表演藝術(shù)也逐步多樣化，促使舞臺結(jié)構(gòu)朝著輕質(zhì)、纖柔、大跨度、更具有新穎形式的方向發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)介紹

大跨度升降舞臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，各部件為獨立制造，通過連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配。由于設(shè)備體量大，制作以及位置精度很難控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，安裝時需要補償一定的誤差，實現(xiàn)浮動調(diào)整。同時，在設(shè)備運行過程中，運動狀態(tài)經(jīng)常會發(fā)生改變，如加速、上升、下降、緊急制動等。運行狀態(tài)的突然變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受沖擊載荷，影響設(shè)備的順利運行。

新型柔性連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，其橫梁端部設(shè)計成一個凹形結(jié)構(gòu)，套在導(dǎo)向架凸形結(jié)構(gòu)外部。在橫梁與導(dǎo)向架連接的上下方向設(shè)置有垂直貫穿孔，用于安裝限位軸。兩者之間為間隙配合，有一定的空間裕量。在橫梁端部四周設(shè)置調(diào)整組件安裝孔位，將彈性結(jié)構(gòu)體通過預(yù)緊壓力頂在導(dǎo)向架上，形成可靠的柔性連接。新型連接結(jié)構(gòu)在X、Y、Z三個方向有一定的彈性空間，可以滿足設(shè)備安裝時位置浮動調(diào)整的要求。

2 提升舞臺結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力學(xué)分析

瞬態(tài)動力學(xué)是用于確定在承受隨時間變化的載荷作用下結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的一種方法。本文使用簡化模型，模擬在加速上升過程中突然緊急制動的情況，對采用傳統(tǒng)剛性連接和采用新型柔性連接的升降舞臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，分析模型如圖3所示。由于結(jié)構(gòu)與載荷對稱，建立一半模型進(jìn)行分析。假設(shè)結(jié)構(gòu)以加速度為3 280 mm/s2的上升過程中，在導(dǎo)向架制動位置3處施加制動力352.8 kN。

采用桿、梁、殼單元混合建模，忽略舞臺結(jié)構(gòu)，使用質(zhì)量單元模擬。剛性連接采用梁單元模擬，柔性結(jié)構(gòu)采用一圈彈簧單元模擬。

圖1 升降舞臺結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 新型柔性連接結(jié)構(gòu)

約束立柱底部的所有自由度，約束提升拉板底部的三個平動自由度，對模型對稱面位置施加沿平面Y、Z方向的對稱約束。

3 分析結(jié)果

通過模態(tài)計算，結(jié)構(gòu)第一階固有頻率f1=1.98 Hz。根據(jù)經(jīng)驗，取結(jié)構(gòu)阻尼為0.2，等效粘性阻尼轉(zhuǎn)化系數(shù)為W=2πf=12.43。采用直接瞬態(tài)法進(jìn)行計算，時間子步D=0.01＜1/(20×f)=0.025。

3.1 關(guān)鍵位置作用力對比

提取剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)在位置1、2、4處載荷隨時間變化的曲線，分別代表在沖擊載荷作用下導(dǎo)向架對滑軌上下接觸位置的作用力以及提升位置作用力的變化曲線，分別如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5中可以看出，兩種連接結(jié)構(gòu)對提升載荷即位置4處沒有明顯的影響。

采用剛性連接，位置1的作用力大于位置2的作用力。這是由于從橫梁上傳遞過來的彎矩造成的，且兩個位置的作用力隨著時間變化有一定的波動，由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，波動逐漸平緩。

采用柔性連接，位置1、2處的作用力趨于一致，且由于彈性體阻尼的作用，載荷變化平穩(wěn)，基本沒有振蕩現(xiàn)象。

3.2 關(guān)鍵位置位移值對比

提取剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)在位置1、2處位移隨時間變化的曲線，分別代表在沖擊載荷作用下導(dǎo)向架對滑軌上下接觸位置的位移變化曲線。如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以看出，采用柔性連接在位置1、2處的位移大于采用剛性連接結(jié)構(gòu)，峰值為8 mm，變形量較小，未超過柔性連接結(jié)構(gòu)的彈性空間范圍。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果對比

在1 s時間步，采用剛性連接，最大應(yīng)力位于導(dǎo)向架上表面剛性連接位置，應(yīng)力值為334.8 MPa。采用柔性連接，最大應(yīng)力位于導(dǎo)向架下表面彈性體支撐位置，應(yīng)力值為261.1 MPa。對比而言，采用柔性連接導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較小。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

在1s時間步，采用剛性連接，立柱結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力最大值為56.4 MPa。采用柔性連接，截面最大應(yīng)力值為55.73 MPa。對比導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)上與導(dǎo)向架接觸位置，采用柔性連接，導(dǎo)軌上應(yīng)力值小于采用剛性連接結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型以及關(guān)鍵位置說明

圖4 剛性連接關(guān)鍵位置載荷曲線

圖5 柔性連接關(guān)鍵位置載荷曲線

圖6 剛性連接關(guān)鍵位置合位移曲線

圖7 柔性連接關(guān)鍵位置合位移曲線

圖8 剛性連接導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 柔性連接導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 剛性連接立柱結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力云圖

圖11 柔性連接立柱結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

相較于剛性連接結(jié)構(gòu)，新型柔性連接結(jié)構(gòu)具有以下特點：

（1）具有一定的彈性空間，可實現(xiàn)設(shè)備的浮動連接，在設(shè)備安裝時能夠補償因制作和安裝帶來的位置誤差。

（2）在沖擊載荷作用下，軌道上下兩個位置作用力趨于一致，且變化平穩(wěn)，有利于設(shè)備的穩(wěn)定運行。

（3）有效降低導(dǎo)向架以及立柱支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命。

目前，這種新型柔性連接結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于筆者所在公司的產(chǎn)品中，且在實際使用中取得良好的使用效果。

注：本文內(nèi)容屬于國家科技支撐計劃課題“虛擬交互娛樂裝備及控制系統(tǒng)研發(fā)”（2013BAH68F02）。

[1]李楚琳. Hyperworks分析應(yīng)用實例[M]. 機械工業(yè)出版社,2008:134-144.

[2]劉小濤. 基于Hyperworks的航炮吊艙加速度沖擊瞬態(tài)響應(yīng)分析[C]. Altair 2012 Hyperworks技術(shù)大會論文集.

（編輯 薛云霞）

Analysis of a Novel Flexible Connection Structure

LIU Hui, WU Zheng-ping, CHEN Yun-feng
(Shenzhen Huaqiang Intelligent Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518005, China)

The authors introduced a new type of flexible connection structure which is used to improve the structure of the platform. This structure has a certain spatial adjustment function, and can effectively reduce the impact of impact load on the supporting structure, reduce the structural stress, and thus improve the service life.

flexible connection; impact; supporting structure; stress; life

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.008

劉輝（1969-），男，清華大學(xué)碩士畢業(yè)，研究領(lǐng)域為游樂設(shè)備設(shè)計制造和結(jié)構(gòu)安全分析。