劉勇 王志明

摘 要：將計(jì)算機(jī)輔助工具應(yīng)用于現(xiàn)代游樂設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為一種主流趨勢(shì)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高的背景下，人們對(duì)游樂設(shè)備的設(shè)計(jì)需求不斷提升，在關(guān)注設(shè)備外形美觀的基礎(chǔ)上更加關(guān)注設(shè)備本身的安全性。本文以大型游樂設(shè)備挑臂梁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為切入點(diǎn)，綜合運(yùn)用各種軟件，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析，旨在在實(shí)例分析的基礎(chǔ)上獲取最佳參數(shù)，形成新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路。

關(guān)鍵詞：游樂設(shè)備 挑臂梁設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言：

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高的背景下，人們的物質(zhì)生活和精神生活都得到了極大滿足，尤其是對(duì)精神文化的追求逐漸提高。在這一需要的影響下，以游樂場(chǎng)為代表的游樂環(huán)境成為人們休閑娛樂的主要場(chǎng)景，游樂設(shè)備越來越得到人們的歡迎，逐漸成為人們精神放松和壓力排解的主要途徑。隨著人們對(duì)精神生活的追求不斷提高，舊的游樂設(shè)備已經(jīng)不能滿足他們的精神需要，新型游樂設(shè)備相繼出現(xiàn)。但是，這些游樂設(shè)備在給人們帶來驚險(xiǎn)刺激的體驗(yàn)的同時(shí)，也帶來了很大安全隱患，安全事故的發(fā)生率與日俱增。對(duì)此，提高游樂設(shè)備的設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)成為游樂產(chǎn)業(yè)發(fā)展不得不考慮的問題當(dāng)前，我國(guó)游樂設(shè)備在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中存在功利性強(qiáng)和設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}，特別是嚴(yán)重忽視安全問題，使得設(shè)備的安全性能較低。因此，優(yōu)化游樂設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)尤其重要。

一、關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“升降飛碟”是現(xiàn)在游樂場(chǎng)中比較常見的大型游樂設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)設(shè)置相對(duì)復(fù)雜?！吧碉w碟”在啟動(dòng)時(shí)，懸臂梁能夠呈順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，游客在這種上升和下降個(gè)過程中能夠有一種置身于宇宙空間的體驗(yàn)。對(duì)于“升降飛碟”來說，在對(duì)其懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮其結(jié)構(gòu)尺寸的具體參數(shù)，并科學(xué)的對(duì)相關(guān)重要零部件的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般說來，在選擇油缸尺寸結(jié)構(gòu)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，找到合適尺寸的油缸。“升降飛碟”屬于動(dòng)力屬性復(fù)雜、安全要求較高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的大型游樂設(shè)備，通常會(huì)使用液壓系統(tǒng)作為其主要驅(qū)動(dòng)力量，只有這樣，才能使“升降飛碟”在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，同時(shí)保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，并且在連續(xù)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中可以最大限度的降低振動(dòng)，所以，液壓油缸是一個(gè)比較明智和穩(wěn)妥的選擇。另外，對(duì)于油缸的安裝，主要涉及耳板銷軸和支座結(jié)構(gòu)的選擇問題，耳環(huán)支座是液壓油缸的主要銜接部件。

二、三維建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

當(dāng)前，信息技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的手工計(jì)算方式已經(jīng)逐漸被機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所取代，設(shè)計(jì)流程也更加全面和完善，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的優(yōu)化。一般說來，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)主要是指按照標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)需求，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)或者其他輔助工具來對(duì)可控變量進(jìn)行建模，或者進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上選擇最佳的設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)階段，SolidWorks和UG等計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)已經(jīng)先后在建筑工程、航空航天和機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了推廣和使用[1]。應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，不但可以對(duì)問題部件進(jìn)行有效的優(yōu)化和改進(jìn)，還能根據(jù)機(jī)械部件的尺寸調(diào)整其整體結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計(jì)周期縮短、設(shè)備結(jié)構(gòu)也更加合理，從而達(dá)到了降低成本的效果。

（一）挑臂梁三維建模

一般說來，箱梁結(jié)構(gòu)自身重量較小，并且工藝結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單方便，具有較強(qiáng)的承載能力，所以，選擇箱梁結(jié)構(gòu)作為挑臂梁的基本架構(gòu)是十分合理的。上文中提到的“升降飛碟”這一大型游樂設(shè)備的挑臂梁設(shè)計(jì)主要使用了厚度達(dá)到10毫米的鋼材，并對(duì)鋼材進(jìn)行焊接處理。由于，在游樂設(shè)備啟動(dòng)和運(yùn)行環(huán)節(jié)中，液壓油缸和挑臂梁的接口處受力最為嚴(yán)重，所以，要想對(duì)設(shè)備在運(yùn)行過程中的水平應(yīng)力進(jìn)行有效分擔(dān)，加強(qiáng)挑臂梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提升強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，就需要在二者銜接的地方加裝吊耳裝置對(duì)載荷進(jìn)行分擔(dān)。在SolidWorks軟件的輔助支持下，我們可以對(duì)游樂設(shè)備挑臂梁進(jìn)行整體建模。

在高速運(yùn)行過程中，游樂設(shè)備很容易變形，使得其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而帶來安全問題，所以，在挑臂梁內(nèi)部加裝隔板很有必要，這樣可以強(qiáng)化挑臂梁的強(qiáng)度，防止因油缸推力過大而發(fā)生變形的現(xiàn)象。結(jié)合這類設(shè)備的具體應(yīng)用情況，我們可以使用12毫米厚的隔板來對(duì)內(nèi)部強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。另外，為了防止因高速運(yùn)轉(zhuǎn)損壞零部件事件的發(fā)生，還要對(duì)耳板連接件進(jìn)行加固處理，通?？梢允褂米N緊固螺栓來固定耳板。

（二）挑臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是指在設(shè)備的基本功能得到保障的前提下，通過調(diào)整相關(guān)零部件參數(shù)和對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高游樂設(shè)備的整體效益。進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠進(jìn)一步降低成本和能耗，提高生產(chǎn)效率，還能提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在這里可以使用SolidWorks軟件對(duì)游樂設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，要構(gòu)建一個(gè)合適的模型，即對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在正確的算法下對(duì)相關(guān)函數(shù)實(shí)施迭代計(jì)算，然后對(duì)此進(jìn)行整合，選出最佳的設(shè)計(jì)方案。在這里，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)模型需要從以下三個(gè)方面考慮，即設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件。其中設(shè)計(jì)變量作為機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)要素，主要指通過對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)來觀察計(jì)算結(jié)果的差異性，從而獲得最有模型參數(shù)，比如，機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度和長(zhǎng)度等[2]。目標(biāo)函數(shù)指最終形成的優(yōu)化目標(biāo)；約束條件指的是在計(jì)算控制變量的過程中對(duì)模型狀態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)施限制，比如位移距離和應(yīng)力強(qiáng)度等。以“升降飛碟”這一游樂設(shè)備為了，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)挑臂梁的有限元進(jìn)行分析，然后確定約束條件，計(jì)算出應(yīng)力和變形情況，最后，使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更加深入的分析，并找出存在的安全隱患和可以進(jìn)行優(yōu)化的項(xiàng)目，從而得出計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。這里的靜力學(xué)分析需要實(shí)現(xiàn)穿件新的算例，然后選擇應(yīng)用材料，在此基礎(chǔ)上添加夾具變量，最終定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。通過對(duì)挑臂梁進(jìn)行靜力學(xué)分析，我們可以生成新的算例并以挑臂梁的幾何特征作為主要參數(shù)。

三、結(jié)語

綜上所述，本文通過以“升降飛碟”這一大型游樂設(shè)備的挑臂梁設(shè)計(jì)作為參考，在設(shè)定原始參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合游樂設(shè)施設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)需求，對(duì)這種游樂設(shè)備的挑臂梁設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后對(duì)其中的各種零部件進(jìn)行重新建模，從而有效的縮短了設(shè)計(jì)周期。在這一過程中通過使用SolidWorks軟件，對(duì)游樂設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，活動(dòng)最佳的參數(shù)組合方案，使其能夠更好的滿足國(guó)際化要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 倪寶偉，華新，周青.關(guān)于大挑臂橋墩蓋梁簡(jiǎn)化模型的精度驗(yàn)證[J].上海公路，2016，（12）：165-168.

[2] 梁紹佺.淺析大型游樂設(shè)施的虛擬仿真分析方法[J].中國(guó)科技博覽，2016，（16）：172.

作者簡(jiǎn)介：劉勇 ，男，1989年2月出生 ，本科學(xué)歷， 深圳華僑城卡樂技術(shù)有限公司， 機(jī)械設(shè)計(jì)工程師， 研究方向：游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

王志明，男，1987年7月出生 ，大專學(xué)歷 ，深圳華僑城卡樂技術(shù)有限公司， 機(jī)械工程師， 研究方向：游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。