大型游樂設備主軸靜動態特性分析及結構優化分析

謝永勝

摘要：本文主要以大型游樂設備為核心，對大型游樂設備的主軸靜動態特征進行探索，希望可以為這類裝置的結構分析與優化提供參考和幫助。

關鍵詞：大型游樂設備 主軸靜動態特征 結構優化 思考

針對于大型游樂設備YGPPZ型游藝機來講，其是由長排座椅組成的，因為這類游戲設備需要來回復合運動，回轉裝置可以說是YGPPZ型游藝機的重要組件，運動形式即為在搖臂上升階段，傳動機構與配重會一同連帶主軸和搖臂，進而形成轉動，而在搖臂下降階段，傳動機構與搖臂會共同帶動主軸，然后配重轉動[1]。主軸在運動時的受力情況較為復雜，一些位置的受力相對集中，還有一些位置則受力較小，其剛度與強度會有一定的富余。所以，在這一背景下，需要科學且合理的對主軸結構進行優化，平衡主軸的受力情況，這對于提升使用壽命和材料利用率有著極大的作用和意義。

一、大型游樂設備主軸靜動態特性分析

（一）回轉裝置有限元靜態特征分析

有限元法理論需要依照變分原理和加權余量法為核心，其思想即為物體離散為小單元之后，借助對每一個單元的深入分析來將結果進行組合，以此來實現對對象結構的整體分析。在過程中，通過對大型游樂設備回轉裝置主要承載位置的工況與受力以及約束條件進行分析，可以有效判斷每一個工況的不理情況，進而進一步確定結構的許用值范圍。針對于構建回轉裝置有限元模型來講。可以運用ANSYS Workbench，其有諸多優勢，如協同仿真與的項目管理以及雙向參數傳輸功能等等，在過程中可參考回轉裝置二維圖，然后在ANSYS Workbench DesignModeler模塊中構建三位簡化模型，這種方式可以全面提升求解速度與求解精準度，回轉裝置屬于一個裝配體，零件較多，科學且合理的合并，并適當添加不同的接觸來更好滿足受力平衡[2]。

（二）瞬態動力學分析

借助對YGPPZ型游樂設備回旋裝置的工作狀態與主軸在不同工況下的力學情況進行分析，可以發現一些危險工況與危險位置。另外，在主軸操作階段，其屬于一個動態且變化的過程，需要注意的是主軸運動階段的受力情況較為復雜，會隨著時間的變化而發生改變，如果主軸受到變化的影響，那么就會產生疲勞，甚至失效的嚴重問題。在大型游樂設備主軸運行階段，其瞬態動力學性能會直接影響到回轉裝置轉動的準確度與運行的安全性，同時主軸結構與搖臂以及負載和配重對主軸增加的壓力也會直接影響到主軸瞬態動力性能的影響。

二、大型游樂設備主軸結構優化分析

（一）拓撲優化理論

拓撲優化即為在已知設計空間中探索材料的最佳分布方式，以此來保障主軸結構在移動位置與應力以及應變等約束的基礎上轉變結構受力位置，同時還可以將外荷載傳遞到受力點中，確保荷載傳遞路徑是最佳的，最為的重要的是能夠使主軸結構性能指標達到最佳。在過程中可以以主軸最小柔度為優化目標，然后構建連續型拓撲優化數學模型，例如施加約束與荷載對主軸回轉裝置的重要位置與主軸運行情況以及主軸承載能力的數學模型表述[3]。

（二）主軸拓撲優化

主軸拓撲的優化即為對主軸的軸承接觸面進行約束，針對于靠近主軸搖臂端的約束設置成為限制X、Y、Z方向的平移與限制繞Z軸的轉動，針對于靠近主軸配重端的約束設置為限制X、Y方向的平移與限制繞Z軸的轉動。然后在這一基礎上對主軸兩端施加水平徑向力，即為Force（即Fr4 ） ， Force 2（即Fr5），然后在主軸中間右側一階梯面施加軸向力，即為Force 3（即Fn），最后在主軸配重端間隔一百八十度的位置配置兩個鍵槽擠壓面施加繞Z軸的轉矩Moment 2（即T2）。

另外，還可以在ANSYS Workbench Shape Optimization的模塊中加入Shape Finder選項，在刪除率增加的背景下，想要保障拓撲的優化就需要刪除一些低應力區域的材料，以此來保障主軸結構應力的平衡。如果刪除率較低，那么就會導致拓撲優化效果難以達到最佳水平，反之則會造成拓撲優化出現過度刪除的問題，進而造成優化終結。所以，在這一背景下，需要科學判別拓撲優化的科學性與合理性，可以將刪除率設置成為百分之二十、百分之四十、百分之六十以及百分之七十。然后在這一基礎上對比與刪除率相對應的主軸拓撲優化效果，針對于結構內部區域材料來講，其比外部區域材料去除率更多，保障目標刪除率在科學范圍內就可以建立最好的荷載傳遞方式[4]。由于主軸內部會刪除諸多材料，這樣主軸支撐位置與鍵槽位置都會受到大彎矩進而應力的影響，需要在凸起位置體現出保留材料的位置，因為左側的凸起的區域長度較短、坡度較大，而右側凸起位置的長度較長且坡度較緩。所以，在優化和完善主軸內部結構的過程中，應保障外部結構不會發生變化。在優化拓撲的背景下，主軸結構會從實心變為空心，但需要注意的是，這種優化方式還處在設計階段，真實且具體的構造與尺寸還需要深入分析和探索。在過程中如果依照主軸拓撲的優化結果來對其進行改造，那么將會增加毛坯制取的復雜度和加工難度。因此，可以選取主軸的最小內徑來作為整體主軸的內徑，這樣的方式不僅簡單且十分便捷。

結束語：

結合全文，在大型游樂設備主軸靜動態特征分析與主軸結構優化中，可以借助拓撲優化方式來對主軸結構進行優化，然后在這一基礎上選取主軸配重端最小的內徑來作為整軸內徑的參考，這樣的方式不僅可以達到優化主軸結構的目標，同時還可以降低設計變量數目，進而提升主軸結構優化的整體效果。

參考文獻：

[1]謝軍、廖映華、廖川. 立式加工中心主軸箱靜動態特性分析及拓撲優化[J]. 機床與液壓， 2020， v.48;No.521（23）：171-175.

[2]崔立， 張洪生. 緊湊型高速電主軸拉刀機構靜動態特性分析與優化[J]. 制造技術與機床， 2020， No.692（02）：150-157.

[3]丘立慶. 基于ANSYS Workbench的高速電主軸靜動態性能仿真分析及優化[J]. 設備管理與維修， 2019， No.456（18）：32-34.

[4]孫戰強， 常國強. 某游樂設施防護裝置聯鎖結構設計科學性的探究[J]. 特種設備安全技術， 2019， 000（004）：53-53.

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