淺析有限元法在水滑梯結構分析上的應用

盧東梅

摘 要：目前，休閑娛樂業中悄然興起了一些戲水項目。在這些戲水項目中，滑梯是水上游樂設施中最常見的設備，其結構穩定性、安全性至關重要，傳統的力學分析已經滿足不了對滑梯結構的全面分析。因此，在結構分析過程中引入了有限元法。就有限元法在水滑梯結構分析中的應用進行了簡單介紹。

關鍵詞：有限元法；滑梯結構分析；水滑梯；Ansys

中圖分類號：O241 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.079

文章編號：2095-6835（2015）15-0079-02

有限元分析是利用與數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬的，是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解的方法。水滑梯的軌跡、造型是不規則的，導致結構和組合荷載分析相當復雜。保證滑梯結構在各種荷載工況的作用下的安全是至關重要的，單單依靠傳統的工程力學、材料力學計算的偏差相當大，且很多時候會出現無法套用理論的情況。因此，在滑梯結構分析時引入了有限元法分析。

1 有限元單元法

目前，流行的CAE分析軟件主要有Nastran、Marc和Cosmos等。本公司使用的是Ansys。

2 水滑梯結構分析的特點

水滑梯是供游人滑行的設備，其結構的安全性、穩定性非常重要。其屬于大型游樂設施中的水上游樂設施，屬于特種設備的范疇，等級為B級，每臺套設備均要經過中國特種設備檢測院的檢查、檢測和驗收，出具合格證后方可使用。水滑梯大部分安裝在室外，自然環境對滑梯結構的影響很大。因此，在滑梯設計階段，必須對其結構進行強度、剛度、疲勞強度、穩定性、抗傾覆性和防側滑性計算分析，達到相應規范要求的安全系數，編寫正規的計算說明書，并由中國特種設備檢測院具有相應資質的工程師審核，出具鑒定報告后方能投產。首套設備必須由中國特種設備檢測院專業的、具有相應資質的工程師現場檢驗，出具型式試驗報告后方能使用和批量生產。

對水滑梯結構進行計算分析時，必須考慮永久荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、地震荷載和沖擊荷載。永久荷載在水滑梯中一般為滑梯的自重；活荷載指乘坐人本身的荷載和水荷載（流動水）；風荷載分為工作狀態荷載和非工作狀態荷載，游樂設施的設計中按最大運行風速15 m/s計算工作狀態的風荷載，非工作狀態按設備安裝地50年一遇的最大風荷載計算；雪荷載按設備安裝地50年一遇的最大風荷載計算；計算地震載荷時，按設防烈度8度，相當于設計基本加速度0.2 g計算；計算沖擊荷載時，游樂設施在運動過程中有可能出現沖擊，設計時一般無法準確計算。因此，在進行強度計算時，其永久荷載和活荷載必須乘以沖擊系數K.在水滑梯中根據其最大速度，選用沖擊系數相應的沖擊系數。

因此，工作狀態時應考慮永久荷載、活荷載、風荷載、沖擊荷載；非工作狀態時應考慮永久荷載、風荷載、雪荷載、地震荷載。

3 有限元法在水滑梯結構分析上的應用

水滑梯結構包括玻璃鋼滑道、鋼結構、混凝土基礎三大部分。鑒于水滑梯結構的特殊性、重要性、復雜性，在水滑梯結

構分析上引入了有限元方法。引入后，徹底改變了傳統分析方法，使受力分析更精確、更全面，其主要作用為校核和優化設計。我公司采用的軟件是Ansys，利用通用有限元法校核了多種工況下設備的強度。在軟件中，采取了beam單元、Shell單元對結構進行近似簡化，圖1為簡化后的有限元模型。

在有限元模型材料類型可以定義玻璃鋼滑道、鋼結構的材質，根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節點數目、位置及其含義等，可找出單元節點力和節點位移的關系式。根據滑梯結構分析的要求，分別采用滑梯的工作狀態和非工作狀態各自的荷載對滑梯的不同位置進行加載，得出滑梯的變形和應力值。通過材料的力學特性，可以得出各部位、零件的受力值、位移值、應力值，并套用相應的幾何方程和物理方程，得出受力構件的應力值、擾度，與相應的標注值對比（包括安全系數），進而得出結論是否合格。如果不合格，則調整該部位零件的結構、材質和規格。以下為已審核合格的滑梯結構分析實例（只抽取一小部分）。

3.1 整體分析

主要校核玻璃鋼滑道和立柱強度，表1列出了2種材料的屬性，在有限元模型材料類型定義中體現。

表1 材料屬性

3.2 載荷分析

自重：滑道最大速度為16.44 m/s（能量守恒定律計算），即得沖擊系數K=2，在軟件加荷載時活載荷和永久載荷（結構重力）應乘以沖擊系數2.

水重：滑槽半徑r=0.4 m，滑槽水膜深度h=0.008 m，計算得水重為40 N/m。根據GB/T1 8168—2008規定，因滑道內流動水的荷載<0.20 N/m，按0.2 kN/m的2倍均布加載。

側向風載：運行工況為最大運行風速V=15 m/s，基本風壓為140 N/m2，施加于側向（最不利方向）。

乘客：單人身體滑行750 N（規范規定）。

慣性力：忽略滑行阻力，高差H=16 m，根據能量守恒，最大速度為16.44 m/s。最低點半徑約為12 m，離心加速度a=2.25 g，因此滑道受到最大載荷（疊加沖擊系數）F=1.47 kN。

加載說明：狀態1～3為固定加載，為了方便分析，用最大載荷F代替乘客滑行到不同位置的載荷，結果更為保守。

3.3 加載和分析計算

分別取5個典型位置進行慣性力加載，以下是其中應變最大的狀態，加載圖如圖2所示，變形圖如圖3所示，滑道應力圖如圖4所示，立柱應力圖如圖5所示，立柱支反力和彎矩如圖6所示，立柱支反力和彎矩數據如表2所示。

3.4 結果分析

綜上5個狀態所述，正常運行工況下最大變形量為20 mm；玻璃鋼滑道的最大應力為23 MPa，發生在與高平臺中段連接的位置；鋼結構最大應力為83 MPa，發生在立柱、支臂與滑道的連接位置。通過對玻璃鋼剛度、強度校核、鋼結構強度校核、立柱的剛度計算校核和立柱的穩定性計算，其結果均符合技術規范要求。

表2 立柱支反力和彎矩數據

4 結束語

有限元法適用于水滑梯中的各種復雜結構，成為了行之有效的工程分析手段之一。其基于水滑梯結構的特殊性、重要性、復雜性，徹底改變了傳統分析方法，使受力分析更精確、更全面，更利于滑梯結構校核和設計優化。

參考文獻

[1]趙興奎.有限元及軟件ANSYS簡介[J].水利科技與經濟，2004（03）.

〔編輯：張思楠〕