徐夢(mèng)超， 張林浩， 王 坤， 邢海軍

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

結(jié)構(gòu)分析是過山車研發(fā)中必不可少的科學(xué)研究手段。過山車在運(yùn)行過程中會(huì)承受較大的慣性力及慣性力矩，而這些慣性力反映到車體上就是更大的承載力，這就對(duì)過山車的結(jié)構(gòu)提出了更嚴(yán)格的要求。過山車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有2個(gè)難點(diǎn)：①由于過山車運(yùn)動(dòng)時(shí)，其位移、速度、加速度及運(yùn)動(dòng)副的約束力實(shí)時(shí)變化，如何確定車體承受最不利的載荷工況；②車體承受的載荷包括3個(gè)方向的力和3個(gè)方向的力矩，在載荷已知的情況下，如何確定車體中最危險(xiǎn)的位置。為解決上述2個(gè)問題，利用ADAMS軟件的動(dòng)力學(xué)分析功能確定了過山車連接副承受的實(shí)時(shí)載荷，按照游樂設(shè)施安全規(guī)范[1]基本設(shè)計(jì)規(guī)定要求，利用ANSYS軟件強(qiáng)大的概念建模功能和分析功能完成了車體結(jié)構(gòu)的工作能力分析。

1 過山車車體承受載荷的提取

為了明確過山車連接位置承受的載荷，需要對(duì)整個(gè)過山車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與仿真計(jì)算[2]，采用ADAMS軟件完成這一過程。建模時(shí)，將構(gòu)件建為剛體，每2個(gè)剛體根據(jù)構(gòu)件關(guān)系建立連接副，連接副建立在受力中心點(diǎn)，仿真完成后，提取連接副的載荷(3個(gè)方向的力，3個(gè)方向的力矩)，提取的載荷數(shù)值必須相對(duì)于連接副安裝位置的活動(dòng)坐標(biāo)系，具體建模時(shí)在ADAMS中根據(jù)連接副的中心坐標(biāo)建立MARAKER點(diǎn)[3]，且MARAKER點(diǎn)建立在part上，將連接副建立在MARAKER點(diǎn)上，連接副的坐標(biāo)系方向應(yīng)與整體坐標(biāo)系方向一致。

圖1 座椅架結(jié)構(gòu)圖

2 座椅架結(jié)構(gòu)

為了節(jié)省篇幅，以座椅架為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，座椅架結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中位置1為球鉸副，位置2、3為座椅架與連接架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副(繞Y軸)。

圖2 座椅架有限元模型

3 座椅架概念建模

板殼單元的力學(xué)模型取為結(jié)構(gòu)單元的中性面，即以各中性面來代表不同厚度的板或殼單元的組合體，以此來模擬結(jié)構(gòu)體。將座椅架三維模型導(dǎo)入WORKBENCH的Geometry中，對(duì)其板單元提取中性面，由于提取的中性面較薄，致使板單元之間有間隙，故選擇Surface Extension對(duì)中性面進(jìn)行延長(zhǎng)，使中性面之間接觸，所提取的中性面建為一個(gè)part，面對(duì)面的中性面建立綁定關(guān)系，如圖2所示，其中單人質(zhì)量取78 kg，建模時(shí)處理為集中質(zhì)量。

圖3 座椅架約束點(diǎn)位置圖

4 慣性釋放約束的添加

為了準(zhǔn)確考慮慣性力、慣性力矩的作用，對(duì)座椅架分析時(shí)，約束條件的設(shè)定采用WORKBENCH中的慣性釋放方法[4]，簡(jiǎn)單地說就是用結(jié)構(gòu)的慣性(質(zhì)量)力來平衡外力。盡管結(jié)構(gòu)沒有約束，分析時(shí)仍假設(shè)其處于一種“靜態(tài)”的平衡狀態(tài)，即將整體結(jié)構(gòu)設(shè)置為靜定結(jié)構(gòu)，只約束6個(gè)自由度，具體方法為：任取結(jié)構(gòu)模型的3個(gè)點(diǎn)(如圖3 編號(hào)A、B、C)為虛支座(此3點(diǎn)不與運(yùn)動(dòng)副即載荷作用處重合)，其中A、B點(diǎn)連線與模型整體坐標(biāo)的X軸平行，B、C點(diǎn)連線與模型整體坐標(biāo)的Y軸平行，設(shè)定約束時(shí)令支點(diǎn)B的X、Y、Z向位移為零，令支點(diǎn)A的Y、Z向位移為零，令支點(diǎn)C的Z向位移為零。載荷施加于所計(jì)算結(jié)構(gòu)件與其他結(jié)構(gòu)件的連接處(運(yùn)動(dòng)副處)。

5 載荷的添加

計(jì)算載荷作用于1、2、3位置(見圖1)，其中位置1為球鉸連接，只承受X、Y、Z方向的力，2、3處為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接[5]，ADAMS動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，為了避免過約束，只在2、3中間位置建立單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，該轉(zhuǎn)動(dòng)副要承受X、Y、Z方向的力及繞X、Z軸的力矩，其時(shí)間歷程見圖4、圖5。由于過山車運(yùn)動(dòng)時(shí)，其位移、速度、加速度及運(yùn)動(dòng)副的約束力實(shí)時(shí)變化，且同一時(shí)刻相同結(jié)構(gòu)的受力也不同，因此應(yīng)計(jì)算多種工況。所以對(duì)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)心最大X向加速度(簡(jiǎn)稱工況1)、最大Y向加速度(簡(jiǎn)稱工況2)、最大Z向加速度(簡(jiǎn)稱工況3)、最大合成加速度(簡(jiǎn)稱工況4)4種工況計(jì)算比較，座椅架施加的載荷與約束見表1與圖6～圖11，表2為強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

圖4 座椅架位置1球鉸承受載荷

圖5 座椅架位置2、3轉(zhuǎn)動(dòng)副承受載荷

表1 座椅架承受載荷

圖6 工況1座椅架載荷與約束

圖7 工況1座椅架應(yīng)力云圖

圖8 工況2座椅架載荷與約束

圖9 工況2座椅架應(yīng)力云圖

圖10 工況3 座椅架載荷與約束

圖11 工況3 座椅架應(yīng)力云圖

表2 座椅架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表2的結(jié)果顯示工況1、工況3符合要求，工況2未符合要求。

結(jié)果表明了工況2為最不利工況，說明在此工況載荷作用下車體有損壞的可能，會(huì)對(duì)人身安全產(chǎn)生危害，應(yīng)選擇強(qiáng)度更好的材質(zhì)或?qū)υ撐恢眠M(jìn)行修改。

6 結(jié)論

該結(jié)果表明了過山車在運(yùn)行過程中最不利工況，便于對(duì)過山車最不利載荷工況及受力最不利位置的直觀確定，通過有限元分析較為真實(shí)地模擬出了座椅架的破壞特征以及受力情況，因此應(yīng)對(duì)所有的載荷工況下的主要車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，通過ADAMS軟件與WORKBENCH相結(jié)合的方法，完成了所有載荷工況下主要車體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，模擬和預(yù)估所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能、性能、可裝配性及可加工性等各方面的問題。