1、大擺是一種常見(jiàn)的游樂(lè)設(shè)施，經(jīng)過(guò)整體結(jié)構(gòu)分析，得到了大擺的整體和各部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。 但是，大鐘擺的很多情況不能簡(jiǎn)化為靜力學(xué)，需要?jiǎng)恿W(xué)上的解決。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，大擺的懸臂梁以一定的周期擺動(dòng)，需要對(duì)大擺的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以預(yù)先避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)前可能發(fā)生的共振。大擺的柱子是被壓縮的細(xì)長(zhǎng)部件，作用的負(fù)荷在某種程度以上時(shí)會(huì)壓曲，不僅會(huì)考慮到強(qiáng)度的問(wèn)題，還會(huì)考慮到壓曲的穩(wěn)定性的問(wèn)題。圖(a )是游樂(lè)園大鐘擺的示意圖圖(b )的擺整體模型圖1鐘擺的示意圖對(duì)大旋錘整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)和分析，分別在大旋轉(zhuǎn)錘旋轉(zhuǎn)臺(tái)滿載和偏負(fù)荷的情況下，計(jì)算大旋轉(zhuǎn)錘的懸臂擺動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響，并計(jì)算懸臂擺動(dòng)角

2、為120、90、45時(shí)柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大夏比柱的彎曲分析懸臂驅(qū)動(dòng)為順利、安全的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支持。2主要工作內(nèi)容(1)建立了總體動(dòng)力學(xué)分析模型，計(jì)算滿載和偏載情況下立柱的受力情況(2)計(jì)算大旋轉(zhuǎn)錘懸臂擺動(dòng)角為120、90、45時(shí)柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度(3)懸臂驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器的分析及驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器對(duì)立柱的影響(4)鐘擺整體的模態(tài)分析(5)大夏比柱的彎曲分析。三大擺的剛體動(dòng)力學(xué)分析3.1材料參數(shù)整體結(jié)構(gòu)材料： Q235鋼。 材料力學(xué)參數(shù)是材料密度=7.85 t/m。3.2幾何模型使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ansysworkbenchenvironment (awe ) 14.0多物理場(chǎng)協(xié)同CAE模擬軟件，對(duì)整個(gè)大鐘擺進(jìn)

3、行建模，分別建立柱、懸臂、大轉(zhuǎn)盤，并以軟件組裝。(a )鐘擺整體的結(jié)構(gòu)(b )轉(zhuǎn)盤的一部分結(jié)構(gòu)(c )大夏比懸臂梁(d )大夏比的柱子圖2的擺整體組裝模型3.3載荷和約束由于柱底板固定在地面上，柱底板與地面之間施加固定(Fixed )約束，模擬底板與地面之間的緊固連接。在重力的作用下，臂繞旋轉(zhuǎn)滾筒的中心軸旋轉(zhuǎn)，在臂的橫向臂的內(nèi)表面與柱固定筒之間施加旋轉(zhuǎn)寬度(Revolute )，模擬臂繞梁的旋轉(zhuǎn)。在懸臂擺動(dòng)的過(guò)程中，大的轉(zhuǎn)臺(tái)以懸臂的中心軸為中心同時(shí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角速度為1.07rad/s。 在懸臂和大轉(zhuǎn)盤之間加入“旋轉(zhuǎn)寬度”，模擬大轉(zhuǎn)盤圍繞懸臂的旋轉(zhuǎn)。懸臂在全擺動(dòng)周期受到地球重力的作用，進(jìn)行周期

4、性擺動(dòng)，加上標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，方向?yàn)閥的負(fù)方向。負(fù)荷和約束條件如圖5所示。(a )整體負(fù)荷和約束(b )在轉(zhuǎn)盤上施加1.07rad/s的角速度圖3大轉(zhuǎn)臺(tái)載荷和約束示意圖3.4剛體動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ansysworkbenchenvironment (awe ) 14.0的剛體動(dòng)力學(xué)分析模塊Rigid Dynamics對(duì)大鐘擺進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。為了模擬滿載和偏負(fù)荷對(duì)柱的影響，分兩種情況分析大擺。 將分析時(shí)間設(shè)定為20s。情況1 :滿載時(shí)，大鐘擺的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)情況2 :偏載荷時(shí)，大鐘擺的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。為了模擬起動(dòng)制動(dòng)對(duì)立柱的影響，模擬起動(dòng)制動(dòng)分析，起動(dòng)制動(dòng)時(shí)間為0.5s，角速度變化為0

5、.13r/s。 設(shè)定完成后，對(duì)啟動(dòng)制動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。3.4.1情況1 :滿載時(shí)鐘擺的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)滿載狀態(tài)下，大擺的懸臂梁和轉(zhuǎn)臺(tái)在重力的作用下圍繞旋轉(zhuǎn)滾筒左右擺動(dòng)，整體的擺動(dòng)過(guò)程如圖4所示。 箭頭表示立柱上部受到懸臂梁擺動(dòng)過(guò)程中的反作用力。(a )鐘擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)1(b )鐘擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2(c )擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3(d )鐘擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)4(e )擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)5(f )鐘擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)6圖4情況1大擺動(dòng)力學(xué)分析中的擺動(dòng)狀態(tài)圖在懸臂梁擺動(dòng)的過(guò)程中，柱受到懸臂梁的反作用力，三個(gè)方向的反作用力和總反作用力如圖5(a )所示，懸臂梁受到總反作用力的最大值為658.55KN，總反作用力的最大值與y方向的反作用力的最大值一致

6、，大擺移動(dòng)到底部時(shí)受到的反作用力主要由y方向的反作用力施加z方向的反作用力最大為0.000386KN，因?yàn)槭菨M的，z方向總是保持平衡，反作用力幾乎為零。 具體數(shù)據(jù)見(jiàn)附表1。(a )立柱反作用力的載荷時(shí)間曲線(b )立柱受到z方向反作用力的載荷時(shí)間曲線圖5殼體1的柱承受懸臂梁的反作用力線圖3.4.2情況2 :偏負(fù)荷時(shí)，鐘擺的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在懸臂狀態(tài)下，大擺的懸臂梁和轉(zhuǎn)臺(tái)在重力的作用下圍繞旋轉(zhuǎn)滾筒左右擺動(dòng)，整體的擺動(dòng)過(guò)程如圖6所示。 箭頭表示立柱上部懸臂擺動(dòng)的過(guò)程中反作用力的大小。(a )擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)1(b )擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2(c )擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3(d )鐘擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)4(e )擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)5(f )鐘擺

7、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)6圖6情況2大擺動(dòng)力學(xué)分析中的擺動(dòng)狀態(tài)圖在懸臂梁擺動(dòng)的過(guò)程中，柱受到懸臂梁的反作用力，三方向的反作用力和總反作用力如圖7(a )所示，懸臂梁受到總反作用力最大574.43KN，總反作用力的最大值與y方向的反作用力的最大值一致，大擺向底部移動(dòng)時(shí)，受到的反作用力主要由y方向的反作用力施加z方向的反作用力最大為0.14 KN，如圖7(b )所示，由于偏載荷，z方向的反作用力以轉(zhuǎn)臺(tái)的周期旋轉(zhuǎn)，周期性地變化。 具體數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2。(a )立柱反作用力的載荷時(shí)間曲線(b )立柱受到z方向反作用力的載荷時(shí)間曲線圖7的殼體2的柱承受懸臂梁的反作用力線圖3.4.3大回轉(zhuǎn)錘起動(dòng)制動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在動(dòng)臂制動(dòng)過(guò)

8、程中，立柱受到動(dòng)臂的反作用力，三方向的反作用力和總反作用力如圖8所示，動(dòng)臂承受總反作用力最大200.25KN，其中y方向反作用力最大193.75KN，x方向反作用力最大50.627KN，z方向反作用力大致為零，可以忽略圖8起動(dòng)制動(dòng)柱受到臂反作用力的曲線圖3.5總結(jié)在本節(jié)中，在滿載大擺的情況和偏載的情況下，進(jìn)行了剛體動(dòng)力學(xué)的分析，在懸臂的擺動(dòng)過(guò)程中，在兩個(gè)情況下，懸臂對(duì)柱鼓施加了反作用力。 分析結(jié)果表明：(1)在整個(gè)擺動(dòng)周期中，懸臂梁行駛到最下部時(shí)，柱所承受的載荷為最大(2)在偏載荷的情況下，由于偏載荷，對(duì)柱的影響小，偏載荷為全反作用力的：=0.2%；(3)在制動(dòng)過(guò)程中，懸臂梁等附屬結(jié)構(gòu)對(duì)柱產(chǎn)生

9、反作用力，在有限元分析的前提下輸入條件。4不同懸臂角度下立柱的有限元分析根據(jù)前一節(jié)的分析，轉(zhuǎn)臺(tái)的偏載荷對(duì)立柱的影響很小(約0.2% )，在全工況下，懸臂以不同的偏轉(zhuǎn)角只計(jì)算立柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。4.1鐘擺的材料參數(shù)整體結(jié)構(gòu)材料： Q235鋼。 材料力學(xué)參數(shù)是材料密度=7.85 t/m、彈性模量E=210MPa、泊松比=0.3。4.2大夏比載荷特性分析如果大鐘擺在重力的作用下在垂直平面內(nèi)進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)的話，可以簡(jiǎn)化成為單鐘擺的物理運(yùn)動(dòng)模型。 如圖9所示。圖9鐘擺運(yùn)動(dòng)的物理模型如果設(shè)大鐘擺的最大擺動(dòng)角a=120，則高度為(1)其中，h的大旋轉(zhuǎn)錘的最高點(diǎn)是距旋轉(zhuǎn)筒的中心軸線的高度r的大夏比長(zhǎng)度。在轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)的

10、全周期，轉(zhuǎn)臺(tái)圍繞鼓軸圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，向心力：(2)其中，m的大鐘擺擺動(dòng)部分的簡(jiǎn)化質(zhì)量v大擺運(yùn)動(dòng)中的瞬時(shí)速度。在大擺的最高點(diǎn)、擺動(dòng)的全周期過(guò)程中，只受到重力的作用，機(jī)械能得以保存(3)其中，大鐘擺的擺動(dòng)角度g標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，9.8m/s2；在整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的擺動(dòng)過(guò)程中，擺動(dòng)部分只受到重力和向心力，在懸臂梁的中心線方向上，擺動(dòng)部分保持著向心力、重力的中心線上的分量、懸臂梁的擺動(dòng)部分的拉力、三力的平衡(4)這里，對(duì)懸臂梁的擺動(dòng)部分的拉力懸臂的拉力分別在水平和垂直方向上分解(5)聯(lián)合以上公式，求出大鐘擺的擺動(dòng)部分的質(zhì)量對(duì)懸臂施加的拉力時(shí)，如下(6)作用于托架固定筒的載荷包括鼓、吊臂、座位、乘客等附加質(zhì)量，在擺動(dòng)過(guò)

11、程中會(huì)受到離心力和動(dòng)載荷的沖擊。 考慮到這些影響因素，計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)，并計(jì)算懸臂擺動(dòng)到不同位置時(shí)(=120、90、45 )施加的載荷。4.3幾何模型使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ansysysworkbenchenvironment (awe ) 14.0多物理場(chǎng)協(xié)同c 如圖10所示。(a )立柱托架的二分之一(b )托架固定筒(c )立柱與托架固定筒的連接部分(d )專欄圖10支架固定筒和立柱的幾何模型4.4有限元實(shí)體模型(a )立柱支架的二分之一網(wǎng)格(b )托架固定筒網(wǎng)眼(c )立柱與托架固定筒的連接部分網(wǎng)眼(d )專欄網(wǎng)格圖11托架固定筒和立柱的有限元模型基于大擺的幾何模型，建立了有限元模型。 利用

12、20節(jié)點(diǎn)的186個(gè)單元，對(duì)有限元實(shí)體模型進(jìn)行單元網(wǎng)格分割，采用自由四面體網(wǎng)格分割方法，得到理想的有限元網(wǎng)格，在重要部分進(jìn)行局部加密，得到比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。 如圖11所示。 單元總數(shù)為221815個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為408502個(gè)。4.5載荷和約束根據(jù)立柱和固定筒結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。 在列基座上施加全約束，模擬基座和地面的固定連接。根據(jù)整體分析報(bào)告，僅僅是其四分之一的情況下，考慮到?jīng)_擊系數(shù)時(shí)的最大拉伸力為*kg，該值在運(yùn)轉(zhuǎn)到最低部時(shí)，考慮到四加倍速度時(shí)的質(zhì)量，在不同的擺角的情況下，僅考慮1.5倍沖擊系數(shù)時(shí)，二分之一的最大拉伸力如下m=*=*kg機(jī)架純總靜載荷*kg，考慮為二分之

13、一結(jié)構(gòu)，機(jī)架純總靜載荷*kg?？紤]到重力影響，在y的負(fù)方向上加上標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度9806.6mm/s2。 負(fù)荷和約束條件如圖12所示。(a )整體負(fù)荷和約束(b )固定筒的載荷和約束圖12的柱和固定筒的載荷和約束示意圖4.6有限元應(yīng)力分析結(jié)果根據(jù)懸臂的擺動(dòng)角的大小，分別分析=120、90、45等情況。4.6.1=120支架有限元分析在懸臂擺動(dòng)角=120的情況下，將m=*kg代入式(6)中=*N=*N由于懸臂梁和轉(zhuǎn)臺(tái)等沖擊載荷和框架等附屬靜載荷，托架固定筒和立柱的整體應(yīng)力(第三強(qiáng)度理論計(jì)算值)如圖13(a )所示。 最大應(yīng)力為31.6MPa，如圖13(b )所示，出現(xiàn)在柱與底板的連接部。(a )

14、立柱整體的應(yīng)力云圖(b )立柱的局部最大應(yīng)力圖13=120柱和固定筒的分析結(jié)果4.6.2=90支架有限元分析和前一節(jié)一樣省略。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。4.6.3=45支架有限元分析和前一節(jié)一樣省略。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。 的雙曲馀弦值。4.7總結(jié)表1顯示了大夏比在各情況下的應(yīng)力值和與其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。表1結(jié)果匯總表盒子搖角評(píng)價(jià)變量容許值結(jié)論名字應(yīng)力值安全系數(shù)1120立柱最大應(yīng)力31.6毫帕11.93.5滿足條件290立柱最大應(yīng)力37.4毫帕10.03.5滿足條件34

15、5立柱最大應(yīng)力70.7毫帕5.33.5滿足條件注： (1)大旋轉(zhuǎn)錘結(jié)構(gòu)所采用的材料為Q235，根據(jù)游樂(lè)設(shè)施實(shí)用手冊(cè)中GB8408-2008 游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范表2的規(guī)定，游樂(lè)設(shè)施受到的最大應(yīng)力與材料的極限應(yīng)力之比為安全系數(shù)n=UR，但是=375Mpa，n是3.5。五大擺起動(dòng)制動(dòng)有限元分析材料屬性、有限元模型和單元格網(wǎng)格分區(qū)與上一節(jié)相同，且不再進(jìn)一步說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)上一節(jié)。5.1載荷和約束根據(jù)立柱和固定筒結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。 在列基座上施加全約束，模擬基座和地面的固定連接。根據(jù)第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，y方向反作用力最大*KN，x方向反作用力最大*KN，考慮到1.5倍的沖擊載荷，施加

16、在立柱固定筒的相應(yīng)位置上?？紤]到重力影響，在y的負(fù)方向上加上標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度9806.6mm/s2。 負(fù)荷和約束條件如圖16所示。(a )整體負(fù)荷和約束(b )固定筒的載荷和約束圖16起動(dòng)制動(dòng)時(shí)的立柱負(fù)荷和約束示意圖5.2有限元應(yīng)力分析結(jié)果懸臂施加制動(dòng)的情況下，在懸臂和轉(zhuǎn)臺(tái)等的沖擊負(fù)荷和框架等的附屬靜負(fù)荷的作用下，托架固定筒和立柱的整體應(yīng)力(第三強(qiáng)度理論計(jì)算值)的云圖如圖17(a )所示。 最大應(yīng)力為50.093MPa，如圖17(b )所示，出現(xiàn)在柱和基板的連接部。(a )立柱整體的應(yīng)力云圖(b )立柱的局部最大應(yīng)力圖17起動(dòng)制動(dòng)箱中立柱的分析結(jié)果5.3總結(jié)表明大擺剎車工況下，柱最大應(yīng)力為50.093MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為7.5，超過(guò)規(guī)定的3.5安全系數(shù)，剎車工況下，大擺柱滿足設(shè)計(jì)要求。