王亮軍 郭永生

摘 要：通過用Pro/E軟件設(shè)計(jì)一種常見的兒童秋千架玩具，并且用ANSYS系統(tǒng)對(duì)它進(jìn)行變形量及所受應(yīng)力的分析，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全性。

關(guān)鍵詞：兒童秋千架；ANSYS；應(yīng)力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.180

兒童秋千架是一種常見的兒童玩具，深受兒童喜愛。但是一些家長(zhǎng)對(duì)兒童秋千架的安全問題也是有些擔(dān)憂，本文擬設(shè)計(jì)一種市場(chǎng)上常見的兒童秋千架并且應(yīng)用Ansys軟件進(jìn)行應(yīng)力分析研究，從而打消家長(zhǎng)的顧慮。

1 用Pro/E軟件進(jìn)行建模

在三維實(shí)體造型軟件Pro/ENGINEER和有限元分析軟件ANSYS之間存在著模型數(shù)據(jù)交換困難的問題，為了實(shí)現(xiàn)兩大軟件集成環(huán)境，根據(jù)CAD/CAE系統(tǒng)間圖形交換的機(jī)制，通過理論和實(shí)踐研究，以目前主流應(yīng)用的Pro/ENGINEER Wildfire2.0與ANSYS10.0為例，研究將Pro/E的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入ANSYS中并劃分網(wǎng)格、進(jìn)行有限元分析的轉(zhuǎn)換方案。提出了采用IGES、.ans和Pro/E-ANSYS接口3種可供實(shí)現(xiàn)的途徑分析討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明，采用Pro/E-ANSYS接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換是最優(yōu)辦法[1]。

這個(gè)兒童秋千架是放置于戶外的，假定將尺寸限定在240×180×150cm范圍內(nèi)空間。用Pro/E軟件設(shè)計(jì)出如圖1所示的兩側(cè)A字形秋千架。

2 導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)進(jìn)行分析

假設(shè)現(xiàn)在有多個(gè)小孩一起玩的搖籃式秋千，算4個(gè)小孩，每個(gè)40kg，計(jì)算的時(shí)候多加2個(gè)，取承重240kg，重力等于2400N，則一側(cè)承受載荷為1200N，則每側(cè)繩子對(duì)架子橫梁的拉力為1200N。如果秋千在擺動(dòng)，則可以將這個(gè)拉力乘以一個(gè)動(dòng)載荷系數(shù)，這里取2.1，則每側(cè)的拉力為2412N。具體分析如下：

基于ansys Workbench軟件對(duì)秋千鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。

載荷計(jì)算如上，秋千鋼架載荷為秋千上兒童載荷，假設(shè)重量為240kg，在秋千擺動(dòng)過程中，通過考慮動(dòng)載荷系數(shù)的形式，將繩索上的載荷乘以動(dòng)載荷系數(shù)，首先通過受力分析計(jì)算出秋千靜止時(shí)刻繩索上的載荷，其大小為1200N，考慮到一定的安全系數(shù)，動(dòng)載荷系數(shù)取2.1，則秋千上的兩側(cè)繩索的拉力分別為2412N。

首先在三維模型中建立秋千整體模型，在有限元分析中只考慮秋千鋼架的模型，未考慮繩索的幾何模型，而是將載荷直接等效施加在鋼架結(jié)構(gòu)上。雖然在實(shí)際情況下繩索也會(huì)發(fā)生斷裂破壞，但是大部分情況下繩索的破壞都是長(zhǎng)期的磨損導(dǎo)致的，而不是繩索的一次性拉斷破壞，在我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于繩索的選型都做過嚴(yán)格的計(jì)算，而且留有一定的安全系數(shù)，從而避免了繩索的一次性破壞。那么繩索的磨損破壞和繩索系的不牢靠導(dǎo)致的滑落等情況很難通過有限元來實(shí)現(xiàn)，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中除了留有一定的安全系數(shù)外，還要求現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員定期檢查繩索，如有明顯磨損和滑落需要進(jìn)行維護(hù)或更換，而且對(duì)繩索的維護(hù)和更換也相對(duì)方便，所以此處我們認(rèn)為繩索已經(jīng)滿足要求，在有限元分析中只考慮鋼架結(jié)構(gòu)，校核鋼架結(jié)構(gòu)在秋千擺動(dòng)過程中是否滿足強(qiáng)度要求，因?yàn)殇摷芙Y(jié)構(gòu)為主要承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)鋼架結(jié)構(gòu)一旦安裝，大都為永久性的，沒法做到更換，除非秋千整體報(bào)廢。所以以下采用有限元結(jié)構(gòu)對(duì)秋千的鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化。秋千鋼架結(jié)構(gòu)材料為結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為2.1e11pa，泊松比為0.。將秋千鋼架結(jié)構(gòu)的幾何模型文件另存為IGES文件并且導(dǎo)入ANSYS軟件中，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型如下所示，網(wǎng)格總數(shù)為31633，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為65044。鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖2所示：

結(jié)構(gòu)最大變形為4.5164mm，橫梁總長(zhǎng)2000mm，變形大小只有長(zhǎng)度的0.2%，所以橫梁的變形認(rèn)為滿足剛度要求。

鋼架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為189.56MPa，材料為Q235，屈服極限為235MPa，此時(shí)安全系數(shù)為1.24，最大等效應(yīng)力發(fā)生在橫梁和支架的焊接位置，這與實(shí)際情況吻合，大多數(shù)秋千鋼架的破壞都是該處的焊接脫落導(dǎo)致整體破壞。

3 結(jié)論

經(jīng)過Pro/E軟件的精確建模，以及導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析兒童秋千架的變形量以及所受到的最大應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)變形量在安全范圍，最大應(yīng)力小于屈服極限。而且本文假設(shè)的是秋千架超載的情況，這種情況商家應(yīng)該在產(chǎn)品上貼有提示語提醒使用者避免6個(gè)兒童一起使用秋千架，即實(shí)際應(yīng)用中一般不會(huì)出現(xiàn)文中假設(shè)的情況。所以這種設(shè)計(jì)是絕對(duì)安全的，家長(zhǎng)們盡可以放心。

參考文獻(xiàn)：

[1]林建冬，原思聰，鄭建校.基于Pro/E與ANSYS的CAD/CAE數(shù)據(jù)交換方法研究 [J].工程機(jī)械，2007（08）：32-36.