李晨陽(yáng)，馬棟聯(lián)，康紅偉，張俊峰

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基于Inventor的滑索支架有限元分析及優(yōu)化

李晨陽(yáng)，馬棟聯(lián)，康紅偉，張俊峰

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

支架是滑索的主要受力零件之一，在繩索拉力作用下，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。利用Inventor軟件對(duì)滑索支架進(jìn)行建模、有限元分析等，旨在探討其應(yīng)力分布，并尋求優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析結(jié)果顯示，滑索支架在相同載荷條件下，隨著支桿結(jié)構(gòu)位置變化，最大應(yīng)力集中值改變。橫斜桿結(jié)構(gòu)形態(tài)時(shí)，最大應(yīng)力集中值只是橫桿滑索支架的30%。另外，左右立支架與斜支撐架間的角度的改變對(duì)于滑索支架的最大應(yīng)力值有著明顯影響。綜上所述，在橫斜桿狀態(tài)下，橫斜桿在30°±1°之間時(shí)，應(yīng)力集中值最小。

有限元分析；滑索支架；Inventor

滑索支架是山體觀光類固定支架，屬于游樂(lè)特種設(shè)備，要求具有較高的使用安全性能。采用Inventor有限元分析，改變滑索支架的相關(guān)結(jié)構(gòu)和角度，得到受力分布的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，改進(jìn)優(yōu)化滑索支架，減小應(yīng)力集中，提高安全系數(shù)。

現(xiàn)有滑索支架結(jié)構(gòu)為門型，材料為普通結(jié)構(gòu)鋼管，結(jié)構(gòu)尺寸須符合國(guó)標(biāo)《滑索安全技術(shù)要求（試行）》國(guó)質(zhì)檢鍋（2002）120號(hào)[1]要求。

1 建模

為了建模方便，在建模時(shí)將滑索支架空心鋼管改為實(shí)心焊接結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)統(tǒng)一選擇立柱與斜支撐架呈30°，建滑索支架三維模型，先選取面，畫出橫梁和左立柱二維草圖，以橫梁中心線和左立柱中心線分別旋轉(zhuǎn)得三維左支撐架以及橫梁，再選取面，平面繞邊旋轉(zhuǎn)，建立交橫梁于60°、左立柱于30°的平面，畫出斜支撐結(jié)構(gòu)二維草圖，以斜支撐中心線旋轉(zhuǎn)得三維斜支撐架，再選擇面，畫出地腳連接板二維草圖，拉伸得三維地腳連接板，最后建三維左導(dǎo)向機(jī)構(gòu)底座。

滑索支架是軸對(duì)稱門型結(jié)構(gòu)，選中左半部分實(shí)體，以滑索支架中心面為鏡像面，鏡像右半部分即可得滑索整體。三種結(jié)構(gòu)除橫桿、斜桿、橫斜桿草圖及旋轉(zhuǎn)方式不同外，其他命令均相似[4]，得到三種不同結(jié)構(gòu)分別為：橫桿滑索支架（圖1）、由橫桿改為斜桿的斜桿滑索支架（圖2）、圖1和圖2結(jié)合的橫斜桿滑索支架（圖3）。

圖1 橫桿滑索支架等效應(yīng)力分布

圖2 斜桿滑索支架等效應(yīng)力分布

圖3 橫斜桿滑索支架等效應(yīng)力分布

2 定參數(shù)應(yīng)力分析

三種模型的參數(shù)基本相同，包括材料、約束、施力、網(wǎng)格劃分一致。

材料：Q235-B[2]。

約束：滑索支架有四塊400×400×30的地腳連接板[3]，選擇其接地處固定約束。

施力：選擇在橫梁上兩邊呈一定角度的左右導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，施加適當(dāng)壓力。

網(wǎng)絡(luò)格：選擇網(wǎng)絡(luò)格元素5，對(duì)整體進(jìn)行粗范圍應(yīng)力分析知應(yīng)力集中范圍，再重新對(duì)集中范圍局部選擇網(wǎng)絡(luò)格小元素：0.5，再重新進(jìn)行應(yīng)力分析。

3 Inventor分析

分析結(jié)果如表1所示，可知，采用橫斜桿結(jié)構(gòu)是滑索支架設(shè)計(jì)的首選。

表1 Inventor分析

4 斜支撐不同角度結(jié)構(gòu)對(duì)支架受力的影響

4.1 建模與應(yīng)力分析

通過(guò)改變?nèi)N結(jié)構(gòu)中左右立支架與斜支撐架間的角度（＝10°、20°、30°、40°、50°、60°）如圖4所示，采用Inventor軟件進(jìn)行建模與應(yīng)力分析，在原先建模的基礎(chǔ)上通過(guò)平面繞邊旋轉(zhuǎn)的角度命令改變使相應(yīng)進(jìn)行改變。然后材料選擇Q235，左右兩個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)面進(jìn)行施力，并對(duì)四個(gè)地腳連接板進(jìn)行約束，對(duì)滑索支架整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Inventor軟件的自動(dòng)模擬啟動(dòng)，得到最大應(yīng)力數(shù)據(jù)[5]，進(jìn)行分析比較，整理可得圖5。

4.2 不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較圖

如圖5所示，通過(guò)不同角度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，得出三種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中值的曲線圖，分析如表2所示，故橫斜桿滑索支架較為適用。把橫斜桿滑索支架30°±1°與50°時(shí)最大集中值進(jìn)行比較，則橫斜桿支撐架在30°±1°時(shí)，應(yīng)力值最小，是滑索支架優(yōu)化首選。

圖4 側(cè)面圖

圖5 最大應(yīng)力集中值曲線圖

5 結(jié)論

由上述兩種方法比較，橫斜桿滑索支架左右立支撐架與斜支撐架為30°±1°之間時(shí)的最大應(yīng)力值最為適用。

表2 最大應(yīng)力集中值曲線圖分析

[1]國(guó)質(zhì)檢鍋（2002）120號(hào)國(guó)家質(zhì)檢總局，滑索安全技術(shù)要求（試行）[S]. 2002.

[2]GB 8408－2000，游藝機(jī)和游樂(lè)設(shè)施通用技術(shù)條件[S].

[3] GB/ 13676－92，客運(yùn)架空索道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]董希斌，王海飆，宋俊山. 滑索支架與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J]. 森林工程，2003（3）：17-18.

[5]唐湘民. Autodesk Inventor 有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真詳解[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Finite Element Analysis and Optimization of the Skid Support Based on INVENTOR

LI Chenyang，MA Donglian，KANG Hongwei，ZHANG Junfeng

( Huanghe Science&Technology College, Zhengzhou 450000 , China )

the bracket is one of the main force parts of the slip rope, which can produce stress concentration under the action of rope. Using the Inventor software to model it, the finite element analysis is designed to explore its stress distribution and optimize the structure design. The analysis results show that the maximum stress concentration value of slip rope is changed under the same load condition with the position of the support rod. The maximum stress concentration is only 30% of the strut of rod slip. In addition, the change of Angle a between the left and right stand and the inclined support frame has obvious influence on the maximum stress value of the slip bracket. Given all this, in the condition of extremely stem, extremely rod between 30°+1°, minimum value of stress concentration.

finite element analysis；skid support；Inventor

TP302.7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.005

1006－0316 (2018) 07－0023－03

2017－09－29

黃河科技學(xué)院“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育示范課程”建設(shè)項(xiàng)目——機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合

李晨陽(yáng)（1997－），女，河南洛陽(yáng)人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。