沖天大回旋有限元分析

徐　偉，王文靜，黃迎春

（大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連116023）

沖天大回旋有限元分析

徐偉，王文靜，黃迎春

（大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連116023）

對沖天大回旋這種設備進行了詳細的工況分析，借助有限元軟件ANSYS對其危險工況下的危險位置進行強度和剛度分析，并通過有限元中提取的力進行立柱的穩定性分析，計算結果滿足相關標準，表明結構設計符合相關設計要求。

沖天大回旋；有限元；結構分析

沖天大回旋是水滑梯的一種，也是最受歡迎的大型滑梯之一。對于有人參加活動的設備，需要對其安全性、穩定性進行更加細致的分析，避免發生意外。有限元是近年來計算的一個有效的工具，它能夠模擬結構實際的受力，模擬現場的環境進而計算出現場結構的強度和剛度。

本文以沖天大回旋這種水滑梯進行詳細分析，通過ANSYS軟件對其危險工況下的危險位置進行強度和剛度分析，并通過有限元中提取的力進行立柱的穩定性分析。

1　模型建立

沖天大回旋為高空高速滑梯，以多人組合形式借助滑具從高空塔臺進入滑道，借助重力及水流作用，滑具來回擺動或旋轉，經過一段俯沖后至滑道最低點，然后借助巨大的慣性由最低點升至最高點，最后急速下滑至水平段。

沖天大回旋主要由鋼架、皮筏提升機、基礎以及滑道組成，其中基礎包括平臺基礎以及水池，鋼架共有40個高度不同的立柱組成，滑道由曲線形狀的玻璃鋼組成。

立柱及立柱上的腹桿采用的是Beam 188梁單元建立，滑道采用Shell 181板殼單元建立，單元網格尺寸為100 mm.整體模型如圖1所示，模型共有單元42 238個，節點42 357個。

圖1　整體模型

2　模型載荷施加

2.1載荷及工況分析

零件強度、剛度計算時應考慮下列載荷組合：永久載荷、乘客、水載荷、慣性力、風速小于等于15 m/s的風載荷共5種載荷［1-2］。如表1所示。

表1　載荷組合（1）工況列表

2.2載荷施加方法

永久載荷在有限元中施加的方式是加速度的方式，在原有模型的重量基礎上均布增加到實際重量，即改變各部件的加速度以使各部件的重量與實際重量相符，方向為豎直向下，需要乘以沖擊系數。如圖2.

圖2　載荷施加圖

乘客載荷在有限元中施加的方式是以集中力的形式加在長度為1 m的滑道上，根據實際要計算的位置進行確定，方向豎直向下，需要乘以沖擊系數。

水載荷在有限元中施加的方式是均布載荷，在整個滑道上施加水載荷，方向為垂直滑道方向，需要乘以沖擊系數。

慣性力在有限元中施加的方式是集中力的形式加載在計算的點上，方向與運行方向相反。

風載荷以力的方式根據不同高度風載荷大小施加在每段高度的所有零部件上，方向分為x向和z向。沖擊系數選為2.

3　算例分析

滿載工況下對沖天大回旋進行計算，選取加速度最大，速度最大的位置作為最危險工況，計算結果如圖3所示，最大應力為98.8 MPa，（有限元中計算結果為kPa，此處已經轉換為MPa，下同），位置在靠近起始點的第一根立柱上端，腹桿位置，其最大應力位置如圖4所示，滑道的最大應力為38.5 MPa，位置在第二個環形拐彎的位置，其它各處應力均小于30 MPa，如圖5所示。最大位移為29.7mm，屬于局部變形，整體變形圖如6所示。

圖3　整體應力云圖

圖4　立柱應力云圖

上述是最危險工況下的最危險位置的計算，其安全系數見表2中工況1-6，危險工況下其它位置也進行計算，將滿載工況的各位置處的強度及剛度安全系數列表如表2所示。

表2　滿載工況各位置安全系數匯總

根據上述表格可以看出，危險工況下各處的立柱的強度、滑道的強度、整體的剛度都滿足文獻［1］的要求。

4　穩定性分析

根據計算提取受力，如表3所示，立柱序號與圖7中立柱序號一一對應

表3　各立柱最大受力表

圖7　立柱序號圖

由于立柱長度較長，考慮是否會存在失穩問題，因此不同立柱其壓桿柔度為：

式中：

μ為長度因數，兩端鉸支取1；

l為長度，單位mm；

i為慣性半徑，單位mm.

則立柱的壓桿柔度分別為：

式中：

λ0為柔度最小值，材料為Q235，取61；

λp為柔度最大值，材料為Q235，取100.

對于立柱1，由于大于柔度最大值，因此采用的是歐拉公式進行計算：

式中：

E為彈性模量，取2.1×105MPa；

I為慣性矩，單位mm4.

由于其它立柱介于柔度最大值和最小值之間，因此需要采用直線型公式校核其穩定性，首先計算其臨界力：

式中：

a為與材料性質有關的常數，Q235材料取304 MPa；

b為與材料性質有關的常數，Q235材料取1.12 MPa；

因此立柱的穩定安全系數為：

式中：

nw為穩定安全因數，金屬結構中的壓桿取1.8-3；因此立柱的穩定性滿足要求。

5　結束語

對于沖天大回旋而言，由于工況較多，因此采用有限元計算方法方便快捷，能夠更迅速的獲取結構的受力，因此有限元法更利于沖天大回旋的結構設計和優化。

［1］GB8408-2008，游樂設施安全規范［S］.

［2］GB50009-2012，建筑結構載荷規范［S］.

Towering Rroundabout Finite Element Analysis

XUWei，WANGWen-jing，HUANG Ying-chun
（Dalian yiliya Construction Machinery Co.，Ltd.Liaoning Dalian 116023，China）

The towering roundabout this equipment the detailed condition analysis，with the help of finite element software ANSYS in the dangerous conditions dangerous position strength and stiffness analysis，and through finite element extraction force were pillar stability analysis and calculation results meet the relevant standards，shows that the structure designed tomeet design requirements.

finite element analysis；towering roundabout；structure

TU312

A

1672-545X（2016）06-0080-04

2016-03-15

徐偉（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，工程師，研究方向：結構分析及優化設計。