趙九峰

(河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

結(jié)構(gòu)動力學分析通過虛擬實驗精確、快捷地預測產(chǎn)品的整機性能，解決產(chǎn)品的動力學、變形、強度、壽命等問題。在產(chǎn)品設計開發(fā)中，將分散的零部件設計和分析技術(shù)融合在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整機模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品整體設計，提高產(chǎn)品性能[1]。使產(chǎn)品設計人員在各種虛擬環(huán)境中，真實模擬產(chǎn)品整體的運動及受力情況，分析其性能，更好地理解機械系統(tǒng)的運動，精確預測載荷變化，計算其運動軌跡、速度和加速度等[2]。

搖頭飛椅屬飛行塔類的游樂設施，搖頭飛椅運行過程中，乘客乘坐在懸掛于傘架的座椅上,經(jīng)歷邊旋轉(zhuǎn)邊升降，集旋轉(zhuǎn)、升降、變傾角等多種運動形式于一體的合成運動,座椅受到的載荷不斷變化，而座椅骨架的安全性評價直接關(guān)系到乘客的人身安危。因此對座椅載荷進行精確的計算并對座椅骨架進行安全性評價，成為制造企業(yè)急需解決的問題。

搖頭飛椅座椅載荷在設備運行過程中不斷變化，最大載荷難以確定，設計參數(shù)不合理會造成對零部件做出錯誤的安全評價甚至會使設計出的產(chǎn)品發(fā)生危險，針對上述問題，通過ANSYS Workbench軟件，對搖頭飛椅進行動力學仿真計算和對座椅骨架進行有限元分析，保證了座椅的安全性。

1 搖頭飛椅運行原理

搖頭飛椅的特點：傘架和座椅沿著立柱軌道一邊上升一邊旋轉(zhuǎn)，立柱軌道上部彎曲一定角度，傘架上升一定高度后座椅隨傘架傾斜旋轉(zhuǎn)，乘人隨著座椅時而上升時而下沖， 乘人隨座椅起伏不定，充滿了刺激、樂趣。搖頭飛椅主要由傘架部件、座椅部件(含錨鏈)、立柱軌道、支架部件和護欄等部件組成[4]，設備簡圖如圖1所示。

圖1 搖頭飛椅設備簡圖

搖頭飛椅有上、下兩組回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，分別連接傘架與立柱軌道、支架與立柱軌道?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)由電機、減速機、小齒輪和回轉(zhuǎn)支承組成。搖頭飛椅的工作程序如下：油泵電機啟動油缸升起，下回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)電機啟動、上回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)電機啟動，傘架開始旋轉(zhuǎn)，傘架沿著立柱軌道升到上部開始搖頭，運行一定時間后，油缸下降，傘架也開始下降，最后停止，一個工作周期完成。

2 搖頭飛椅的動力學分析

Rigid Dynamics是ANSYS Workbench的一個附加模塊，專用于模擬由運動副和彈簧連接起來的剛性組件的動力學響應，其提供的完整的運動副類型來自動定義構(gòu)件的運動關(guān)系，并提供了豐富的載荷庫，以此來創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)動力學計算模型[3]。Rigid Dynamics采用了無需迭代計算和收斂檢查的顯式積分技術(shù)，并提供了自動時間步功能，來快速求解復雜系統(tǒng)的動力學特性，輸出位移、速度、加速度和反作用力等歷程曲線[4]。

搖頭飛椅運行過程中，傘架繞彎曲的導向立柱運動，座椅承受載荷不斷變化，難以通過理論計算進行精確求解。為了準確的模擬出座椅所受的載荷，采用Rigid Dynamics模塊對搖頭飛椅整體結(jié)構(gòu)進行剛體動力學分析，計算整個運行周期內(nèi)，座椅骨架所受的載荷，提取整個周期內(nèi)載荷的最大值，為進一步對座椅骨架進行評價分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 載荷與約束

以36座搖頭飛椅為計算對象，分別建立各部件的實體模型，并在軟件中進行裝配，每個乘人質(zhì)量為75 kg,利用質(zhì)量單元(Point Mass),附加到座椅的相應位置。支架的底板固定在地面，施加固定(Fixed)約束。立柱軌道繞支架中心旋轉(zhuǎn)，傘架繞立柱軌道旋轉(zhuǎn)，分別施加旋轉(zhuǎn)幅(Revolute)，并施加驅(qū)動載荷(Joint Load)，載荷類型為旋轉(zhuǎn)速度(Rotational Velocity)。搖頭飛椅在整個運行周期內(nèi)，始終受到地球重力的作用，方向為Y向負向，參數(shù)為9.8 m/s2。載荷與約束如圖2所示。

圖2 載荷與約束

2.2 結(jié)果提取與分析

定義仿真分析時間為40 s(其中起動、制動時間分別為10 s)，最小時間步為0.001 s，經(jīng)過仿真分析，得到在運動過程中座椅載荷的時間歷程曲線，如圖3(a)所示。圖中可以看出，在運行周期內(nèi)，座椅載荷出現(xiàn)多個峰值，其中在穩(wěn)定運行階段，即18 s時，座椅載荷出現(xiàn)最大峰值，提取此刻座椅的載荷示意圖，如圖3(b)所示，此時座椅運行到最低位置，載荷值為1 143 N。

圖3 動力學分析結(jié)果

動力學分析能夠較精確地計算出作用在零件上的載荷，確定在動力載荷作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移、反力等量值隨時間變化的規(guī)律，從而找出最大值，為進一步進行主要零件進行強度計算分析的依據(jù)[5]，因此，對游樂設備主要零部件進行強度計算之前，首先應進行動力學分析計算[6]。

3 座椅骨架有限元分析

座椅在承受外界載荷時，主要受力部件是骨架，骨架上面的玻璃鋼等對外部載荷的分配很少，通常用來提高座椅的舒適性，因此對座椅進行分析評價，僅對座椅骨架進行建模[7]。座椅骨架主要由鋼管(φ25×1)焊接而成，材料為304不銹鋼(抗拉強度σb=520 MPa)，取鋼材的彈性模量2.0×1011N/m2，鋼材的密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，采用2節(jié)點的梁單元(BEAM188)[8]，建立座椅骨架的有限元模型如圖4(a)所示。

座椅骨架通過錨鏈連接傘架，連接部位施加全約束。由第2節(jié)動力學分析可知，座椅承受的最大載荷為1 143 N ,考慮1.4倍的沖擊系數(shù)，座椅底部施加1 143×1.4=1 600 N的向下壓力，載荷與約束如圖4(b)所示。

圖4 搖頭飛椅座椅骨架模型與載荷

經(jīng)過有限元分析計算可知，最大應力出現(xiàn)在座椅骨架前端橫梁中部，最大值為72.6 MPa，座椅骨架的應力云圖如圖5所示。

圖5 座椅骨架應力云圖

4 結(jié) 論

以某36座搖頭飛椅為工程背景，對搖頭飛椅進行動力學仿真分析和座椅骨架的安全性評價，計算結(jié)果表明：

(1) 剛體動力學分析能夠模擬運行工況下座椅載荷的時間歷程曲線，提取曲線上的最大值對座椅骨架進行有限元分析并進行校核評價，滿足了搖頭飛椅座椅骨架運行安全系數(shù)的要求，并為搖頭飛椅零部件

的設計計算提供參考。

(2) 基于虛擬樣機的剛體動力學分析為結(jié)構(gòu)設計和校核計算，提供了數(shù)據(jù)支持，與傳統(tǒng)方法相比更準確、可靠，同時可獲得解析方法難以求解的極值參數(shù)，動力學分析減小了常規(guī)計算帶來的設計誤差，提高了設計效率和計算精度[10]，為游樂設施的設計和運行提供理論依據(jù)，對實際生產(chǎn)具有重要意義。