陳曉林

一種基于有限元和運(yùn)動(dòng)分析的安全壓桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

陳曉林

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330096）

安全壓桿是安全座椅上的重要組成部分，用于保護(hù)乘客人身安全。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，往往缺乏極限狀態(tài)的計(jì)算，且沒(méi)有考慮乘客身高這一因素，容易導(dǎo)致乘客頭部磕碰等安全隱患的發(fā)生，為此文章提出了一種基于有限元和運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。方法：首先采用有限元方法分析了主要零部件的極限強(qiáng)度；然后，對(duì)壓桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，獲得了限制壓桿抬升的主要影響因素；最后，對(duì)安全壓桿從結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化方法對(duì)安全壓桿的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

安全壓桿；極限狀態(tài)；有限元分析；運(yùn)動(dòng)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

安全壓桿是安全座椅上的重要組成部分，主要將乘客固定在座椅上防止甩出，保護(hù)乘客人身安全，常用于賽車、游樂(lè)設(shè)備、嬰兒車等設(shè)備和設(shè)施上。安全壓桿主要分為護(hù)胸壓肩式、壓腿式和護(hù)腰式三種，這三種方式保護(hù)的人體部位各不相同，每一種方式都各具特色，適用場(chǎng)合也不同。其中，護(hù)胸壓肩式常用于大型旋轉(zhuǎn)、高速運(yùn)行、沖擊大的游樂(lè)設(shè)備，其承受的加速度較大，乘客能得到全方位保護(hù)，安全性最高。護(hù)胸壓肩式主要結(jié)構(gòu)由壓杠本體、座椅、鎖緊裝置、壓杠轉(zhuǎn)軸、鎖緊桿等部分組成[1]。

常見(jiàn)的安全壓桿結(jié)構(gòu)主要采用Q345B鋼材剛性結(jié)構(gòu)，通過(guò)拉彎扭等方式制成，為了避免乘客在受力過(guò)程中身體的扭傷，其外部采用具有較大緩沖能力的橡膠等包裹而成。近幾年來(lái)，過(guò)山車等大型游樂(lè)設(shè)備發(fā)展較快，設(shè)備上的安全壓桿也得以快速發(fā)展。過(guò)山車設(shè)計(jì)時(shí)速越來(lái)越快，對(duì)其座椅上安全壓桿的性能提出了更高的要求，否則人體的束縛得不到安全保證。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)山車車體以及座椅的安全壓桿設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，國(guó)外采用了ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)和ANSYS有限元分析技術(shù)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析[2]。瑞典學(xué)者Andreas Hellman[3]使用Abaqus軟件嘗試對(duì)過(guò)山車安全壓桿和整體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并進(jìn)行靜力學(xué)分析。Sridhar Kota等[4]使用ADAMS軟件對(duì)過(guò)山車安全壓桿在內(nèi)的車體進(jìn)行建模、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)完整的展示，通過(guò)輸入實(shí)際調(diào)研的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)常用ADAMS和SolidWorks等三維軟件對(duì)游樂(lè)設(shè)備中包括安全壓桿在內(nèi)的各個(gè)零部件進(jìn)行實(shí)體建模、仿真及裝配，并對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[5]。王紅軍等[6]利用Pro/E軟件對(duì)過(guò)山車的主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行全參數(shù)化實(shí)體建模，并進(jìn)行了模態(tài)分析，其中動(dòng)力載荷為理論載荷，可在安全壓桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性方面作為參考。

《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》中關(guān)于安全的要求主要有安全壓桿的設(shè)計(jì)、束縛裝置的選用、最大允許的G加速度、壓桿的鎖緊和打開方式等，并規(guī)定安全壓桿應(yīng)該可以調(diào)節(jié)，且在壓緊狀態(tài)時(shí)端部的游動(dòng)量最大不超過(guò)35 mm[7,8]。在安全壓桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往缺乏極限狀態(tài)的計(jì)算，容易導(dǎo)致安全隱患的發(fā)生。同時(shí)，乘客在進(jìn)出座椅的過(guò)程中，安全壓桿的開啟程度是固定不變的，這對(duì)于部分身高的乘客可能會(huì)造成不良的體驗(yàn)，尤其是身高偏高的乘客，在游玩興奮的環(huán)境下，容易忽視處于開啟狀態(tài)下的安全壓桿所處的位置，從而造成頭部磕碰的傷害；對(duì)于身高偏矮的乘客，容易造成安全壓桿下壓困難的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，本文主要對(duì)壓桿從有限元和運(yùn)動(dòng)仿真兩個(gè)方面對(duì)安全壓桿進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

有限元分析理論是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行模擬，把結(jié)構(gòu)劃分成由有限個(gè)單元連接而成的模型，以此來(lái)對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，最終把復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換成連續(xù)的離散單元問(wèn)題進(jìn)行求解，結(jié)果具有極高的精度。通過(guò)有限元分析安全壓桿的受載情況，然后對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到更優(yōu)的設(shè)計(jì)目的。

1.1 有限元分析

1.1.1 分析步驟

利用ANSYS軟件分析的過(guò)程，總體上可以分為三步。

第一，前處理。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建?；蛘邔?dǎo)入模型，根據(jù)受力分析施加約束和載荷。具體操作：選擇單元類型，提供了超過(guò)150種以單元類型，需要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的單元類型；設(shè)置材料屬性：根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)置材料的屬性；建立實(shí)體模型：使用ANSYS Workbench建?；蛘咄ㄟ^(guò)Pro/E導(dǎo)入模型；劃分網(wǎng)格：根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型多采取自劃分方式；施加載荷：有慣性載荷和結(jié)構(gòu)載荷，慣性載荷如重力等結(jié)構(gòu)自帶的；定義約束，根據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)添加約束，如固定約束。

第二，分析計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力條件添加載荷后進(jìn)行求解。對(duì)零件模型進(jìn)行有限元分析，本次強(qiáng)度以及剛度校核采用靜力學(xué)分析。

第三，后處理。把計(jì)算結(jié)果通過(guò)圖形或者動(dòng)畫等形式顯示出來(lái)。分析應(yīng)力分布云圖進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，分析應(yīng)力集中處并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

根據(jù)上述思路，建立如圖1的具體分析步驟。

除了彈簧采用60SiMnA彈簧鋼，其他結(jié)構(gòu)均采用Q345B鋼材料。其中60SiMnA的主要力學(xué)性能：泊松比為0.29，彈性模量為206 GPa，質(zhì)量密度為7.74 G/cm3。Q345B的主要力學(xué)性能：泊松比為0.25，彈性模量為206 GPa，質(zhì)量密度為7.85 G/cm3。

圖1 安全壓桿的有限元分析步驟

本次采用的是靜力學(xué)分析，分析過(guò)程如下：

（1）通過(guò)Pro/E把模型保存副本為.stp格式；

（2）打開ANSYS Workbench軟件，雙擊Static Structural，進(jìn)入靜力學(xué)分析模式；

（3）右擊Geometry，點(diǎn)擊Import Geometry - Browse，導(dǎo)入所需模型；

（4）雙擊Model，在Mechanical中查看是否成功導(dǎo)入模型，返回Project；

（5）雙擊EnGineerinG Data，點(diǎn)擊材料的Structural Steel，把60SiMnA或者Q345B的力學(xué)性能參數(shù)填入，質(zhì)量密度為對(duì)應(yīng)Density，彈性模量對(duì)應(yīng)YounG's Model，泊松比對(duì)應(yīng)Poisson Ratio，修改材料屬性并注意單位轉(zhuǎn)換，返回Project；

（6）右擊Model，點(diǎn)擊Refresh，刷新模型材料；

（7）打開Mechanical，雙擊Geometry，點(diǎn)擊AssiGnment，選擇Structural Steel材料；

（8）點(diǎn)擊Static Structural，點(diǎn)擊Loads，選擇Force，選擇力所在的平面并點(diǎn)擊Apply，根據(jù)零件受力分析情況在MaGnitude輸入力的大小，在Direction調(diào)整力的方向；

（9）點(diǎn)擊Supports，根實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行約束，常用約束類型：Fixed Support（固定支架）、Compression Only Support（只壓縮支持，用以彈簧支撐）、Cylindrical Support（圓柱形支持，用以銷軸連接處固定）；

（10）點(diǎn)擊Solution，點(diǎn)擊Deformation - Total，點(diǎn)擊Stress - Equivalent（von-Mises），點(diǎn)擊Tools - Stress Tools，分別打開總應(yīng)變?cè)茍D、應(yīng)力云圖顯示；

（11）點(diǎn)擊Solve，進(jìn)行求解，求解時(shí)軟件自動(dòng)采取自由網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

（12）求解完后依次點(diǎn)擊Total Deformation、Equivalent Stress查看總應(yīng)變?cè)茍D、應(yīng)力云圖，展開Stress Tool并點(diǎn)擊Safety Factor查看安全系數(shù)；

（13）繪制數(shù)據(jù)表格，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)。

1.1.2 壓桿本體及主要零部件強(qiáng)度校核

對(duì)壓桿的本體部分進(jìn)行分析，其引力云圖如圖2所示。由圖2可知，壓桿本體在軸端處存在最大應(yīng)力為1.940 MPa，強(qiáng)度校核結(jié)果如表1所示。

圖2 壓桿本體應(yīng)力云圖

表1 壓桿本體強(qiáng)度校核

由表1可知，安全系數(shù)為10.645，滿足許用安全系數(shù)大于5的要求，故不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

同樣的方法，對(duì)安全壓桿的轉(zhuǎn)軸、連接件、壓緊桿齒條、彈簧等進(jìn)行強(qiáng)度校核。分析結(jié)果表明，均滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1.3 壓桿棘爪強(qiáng)度校核

對(duì)壓桿的棘爪進(jìn)行有限元分析，其引力云圖如圖3所示。由圖3可知，通過(guò)靜力學(xué)仿真后，棘爪的最大應(yīng)力為15.725 MPa，強(qiáng)度校核結(jié)果如表2所示。由表4可知，安全系數(shù)為1.313，不滿足許用安全系數(shù)大于5的要求，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖3 壓桿棘爪應(yīng)力云圖

表2 壓桿棘爪強(qiáng)度校核

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

觀察云圖可知壓桿本體和壓桿轉(zhuǎn)軸端處應(yīng)力較大，如不滿足安全系數(shù)，可調(diào)整直徑尺寸。連接件的內(nèi)圓范圍應(yīng)力較大，可以設(shè)計(jì)凸臺(tái)等方式增加厚度。壓緊桿齒條在齒端面處應(yīng)力較大，在保證調(diào)節(jié)幅度較小的前提下，適當(dāng)提高齒條端面的長(zhǎng)度和寬度，使其受力面積增加。棘爪的爪端彎曲兩側(cè)應(yīng)力較大而且較為接近棘爪，故在設(shè)計(jì)時(shí)可以增加厚度和增大兩側(cè)部分的厚度，防止應(yīng)變過(guò)大而斷裂；彈簧的應(yīng)變主要集中在固定端，壓力主要集中彈簧頂端平面處的一半，在設(shè)計(jì)時(shí)可以在彈簧固定端的環(huán)內(nèi)增加一個(gè)凸圓臺(tái)，減少其底部的橫向應(yīng)變，防止剛度過(guò)小而導(dǎo)致彈簧彈性失效，在兩端的平面面積可適當(dāng)提高，即在彈簧絲中點(diǎn)往下進(jìn)行切割。

上述改進(jìn)分析中，對(duì)于應(yīng)力集中且較大的地方應(yīng)該減小應(yīng)力集中，對(duì)于應(yīng)力較小的地方應(yīng)該減小尺寸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。用Pro/E根據(jù)分析結(jié)果重新創(chuàng)建模型和裝配并導(dǎo)入ANSYS Workbench利用靜力學(xué)分析，觀察應(yīng)變和應(yīng)力云圖并進(jìn)行分析，再次進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求即可。在安全壓桿設(shè)計(jì)中，應(yīng)該進(jìn)行多次改進(jìn)分析，保證安全壓桿的性能滿足要求。

如圖4所示，是棘爪為改進(jìn)前的應(yīng)力分布，應(yīng)力主要集中在棘爪兩側(cè)和孔內(nèi)。兩側(cè)的應(yīng)力分布范圍較大，對(duì)棘爪的強(qiáng)度影響極大，在尺寸改進(jìn)時(shí)注重考慮。

圖4 棘爪改進(jìn)后的應(yīng)力云圖

表3 棘爪改進(jìn)后強(qiáng)度校核

根據(jù)表2強(qiáng)度校核可知，改進(jìn)前壓桿棘爪的安全系數(shù)遠(yuǎn)小于許用安全系數(shù)，不符合設(shè)計(jì)要求。觀察應(yīng)力主要分布在棘爪兩側(cè)，在尺寸改進(jìn)時(shí)主要采取對(duì)棘爪增加厚度，改進(jìn)后的棘爪再進(jìn)行有限元分析時(shí)應(yīng)力分布如圖4所示，大大減少了兩側(cè)的應(yīng)力分布，安全系數(shù)為5.380，大于許用安全系數(shù)5，符合設(shè)計(jì)要求。底部應(yīng)力較小，減少厚度尺寸5 mm，對(duì)棘爪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的棘爪強(qiáng)度校核結(jié)果如表3所示，安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)，故尺寸改進(jìn)效果好。

2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

在安全壓桿的設(shè)計(jì)當(dāng)中，除了要保障壓桿有足夠的強(qiáng)度能承受足夠的載荷之外，還應(yīng)該考慮壓桿的開合高度對(duì)乘客進(jìn)出舒適感的影響，目前，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，廠家往往忽略了這一環(huán)節(jié)。隨著人們對(duì)美好生活向往建設(shè)的不斷深入，提供滿足乘客更高要求的產(chǎn)品，也是當(dāng)前倡導(dǎo)的高質(zhì)量發(fā)展方向之一。Adams是一款專門針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件，由美國(guó)MDI公司開發(fā)。虛擬樣機(jī)技術(shù)在當(dāng)今的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域及其重要，把物理結(jié)構(gòu)虛擬化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，極大地減少了產(chǎn)品的開發(fā)周期并且還可以預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)范圍和碰撞測(cè)量。本次極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要進(jìn)行壓桿的位移以及結(jié)構(gòu)的碰撞力曲線輸出，方便觀察壓桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及干涉顯示。其運(yùn)動(dòng)仿真步驟如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)仿真步驟

2.1 仿真過(guò)程

（1）對(duì)安全壓桿進(jìn)行三維建模，并得到Adams模型。

（2）添加運(yùn)動(dòng)副，主要包括旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副、固定副。為了方便運(yùn)動(dòng)仿真，將螺母和銷軸、底座和座椅通過(guò)布爾加組成一個(gè)實(shí)體，將轉(zhuǎn)軸與壓桿連接的兩端連接件通過(guò)布爾運(yùn)算關(guān)聯(lián)在一起并與壓桿進(jìn)行布爾加運(yùn)算。旋轉(zhuǎn)副主要是銷軸與零件的約束。移動(dòng)副是壓緊桿齒條與缸體的約束，固定副主要是底座和座椅與大地的約束。轉(zhuǎn)軸必須與大地有旋轉(zhuǎn)副約束，連接件與轉(zhuǎn)軸關(guān)聯(lián)在一起。

（3）添加驅(qū)動(dòng)，對(duì)于觀察機(jī)構(gòu)極限運(yùn)動(dòng)的位置，可以直接在轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)副上添加。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較為便利。

（4）調(diào)整重力方向在座墊垂直向下的位置。

（5）進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真時(shí)間為5 s，步數(shù)為1000步。

（6）測(cè)量壓桿本體底部的X軸方向的位移，可以在其底部中間位置創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，然后測(cè)量該圓柱體的質(zhì)心位置在X軸上的位移，得到壓桿在X軸上的位移曲線圖。

（7）在連接件和底座添加一個(gè)接觸力并測(cè)量運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中力的大小，得到接觸力的曲線圖。然后添加一個(gè)傳感器，設(shè)置接觸力為1 N時(shí)仿真停止。

（8）繪制壓桿運(yùn)動(dòng)的軌跡并進(jìn)行仿真。

（9）把相應(yīng)的曲線圖進(jìn)行后處理，調(diào)整曲線圖的相關(guān)參數(shù)，觀察表格數(shù)據(jù)得到關(guān)鍵位置的數(shù)據(jù)，主要為起始點(diǎn)和終點(diǎn)，最后導(dǎo)出曲線圖。

2.2 極限運(yùn)動(dòng)分析

因?yàn)檫B接件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與底座碰撞，從而得到壓桿的極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

圖6 安全壓桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

因?yàn)閴簵U壓桿是做圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)半徑是壓桿底部和壓桿轉(zhuǎn)軸的距離，運(yùn)動(dòng)軌跡即運(yùn)動(dòng)位置。在添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)后，即可測(cè)量壓桿底部在水平方向的位移，即X軸方向上。如圖7所示，進(jìn)行后處理后得到壓桿的位移圖，因?yàn)槠瘘c(diǎn)并不在零點(diǎn)上，所以需要通過(guò)觀察曲線的數(shù)據(jù)表格得到兩個(gè)端點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)。如圖8所示，在3.684 s時(shí)，連接件與底座接觸產(chǎn)生干涉，此時(shí)為壓桿運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)。

圖7 壓桿位移

安全壓桿在運(yùn)行過(guò)程中的時(shí)間和位移對(duì)照數(shù)據(jù)如表4所示，可知在起點(diǎn)距離零點(diǎn)的位移距離為28.4744 mm，在3.684 s時(shí)得到最大位移距離為1158.7049 mm，由此可知壓桿被抬升時(shí)的最大高度為1187.1793 mm，即1.19 m左右。

表4 安全壓桿運(yùn)行過(guò)程中位移數(shù)據(jù)

3 安全壓桿運(yùn)動(dòng)改進(jìn)分析

盡管1.19 m的高度可以滿足大部分乘客的身高要求，但是對(duì)于少部分乘客仍然不足以支撐。故而我們需要對(duì)壓桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更高的抬升高度。對(duì)接觸力的測(cè)量傳感器進(jìn)行失效，增加仿真運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，觀察壓桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)其抬升的高度限制的原因。傳感器失效后，增加仿真時(shí)間為6秒，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖9所示。

從圖5分析可知，限制壓桿抬升的高度的原因主要有兩個(gè)：

（1）座椅底部的限制，把座椅底部向下移動(dòng)可以增加總高度，即壓桿抬升到最高點(diǎn)時(shí)與座椅的距離。同時(shí)增加壓桿長(zhǎng)度。

（2）由于連接件對(duì)底座存在接觸，限制了壓桿的抬升高度，使得壓桿不能抬升至圓周運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)。

根據(jù)上述原因分析，可以對(duì)底座的延伸部分進(jìn)行切割，使得轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接件與底座的接觸部分減小。延伸部分切割的尺寸為75 mm×30 mm，厚度為20 mm，如圖10所示。

圖9 壓桿壓桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程

圖10 底座結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案一

重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，再次測(cè)量壓桿底部的運(yùn)動(dòng)位移，進(jìn)行后處理得到結(jié)果如圖11所示。

圖11 底座改進(jìn)后壓桿抬升的位移

觀察位移曲線的數(shù)據(jù)表格得到兩個(gè)端點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)。如表5所示。

表5 改進(jìn)后部分時(shí)間于位移數(shù)據(jù)

由表5所示，可知運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在4.872秒時(shí)，壓桿運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的距離為1294.0256 mm，由此可知壓桿被抬升時(shí)的最大高度為1322.5 mm，即1.32 m左右。壓桿抬升高度為0.13 m，高度有所提升。

為了限制安全壓桿抬升至最高到點(diǎn)，需要在底座上設(shè)計(jì)一塊限位塊。限位塊不僅可以限制連接件和壓緊桿等與底座的接觸，還可以保護(hù)鎖緊裝置，防止壓桿運(yùn)動(dòng)時(shí)把活塞桿從液壓缸抽出。在底座的上述切口部分內(nèi)添加一個(gè)限位塊，其尺寸規(guī)格為75 mm×70 mm，厚度為13.8 mm，如圖12所示。

圖12 底座結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案二

4 結(jié)論

（1）本文分析了目前在安全壓桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，一是缺乏對(duì)主要零部件進(jìn)行極限狀態(tài)的計(jì)算，二是忽略了壓桿開啟高度對(duì)不同身高乘客進(jìn)出座椅的影響。

（2）通過(guò)有限元分析對(duì)安全壓桿的主要零件進(jìn)行了極限狀態(tài)計(jì)算，分析出了棘爪存在強(qiáng)度方面的安全隱患，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即增加棘爪的厚度和兩側(cè)部分的厚度。

（3）通過(guò)Adams對(duì)壓桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，獲得了限制壓桿抬升過(guò)程到最高點(diǎn)的主要影響因素，并對(duì)底座的上延伸部分進(jìn)行切割，以減少其與連接件的接觸，從而實(shí)現(xiàn)壓桿機(jī)構(gòu)方面的優(yōu)化。

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A Structural Optimization Method of Safety Strut Based on Finite Element and Motion Analysis

Safety pressure strut is an important part of the safety seat, which is used to protect the personal safety of passengers. In the process of design, the calculation of limit state is often lacking, and the factor of passenger height is not considered, which is easy to lead to potential safety hazards such as passenger head collision. Therefore, a structural optimization method based on finite element and motion analysis is proposed. Methods: Firstly, the ultimate strength of main parts was analyzed by finite element method; then, the movement process of the strut is simulated and analyzed, and the main factors restricting the lifting of the strut are obtained; finally, the safety strut is optimized from two aspects of structure and mechanism. The method has certain theoretical guiding significance for the design of safety strut.

safety strut; limit state; finite element analysis; motion analysis; structural optimization

TH122; TH123

A

1008-1151(2022)04-0062-05

2021-12-11

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（191674）。

陳曉林（1982－），女，供職于江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造技術(shù)。