近些年，越來越多的大型主題游樂園在城市中建成，其中最主要的設備就是游藝機。因游藝機具有較強的游客參與性和人機互動性，一旦發生事故會造成人員傷亡和重大經濟損失，因此要求其設計、制造、安裝、改造、維修、使用、檢測檢驗等七個環節必須在特種設備安全監督管理部門的安全監察之下，其中對生產廠的設計文件要求必須由經核準的技術機構進行鑒定。目前研究游藝機復核的文獻相對較少，有關機構對游藝機復核的工作大多采用傳統力學計算的方式，存在周期長、工作量大的弊端，下面就以“雙人飛天”游藝機主臂強度校核為例，通過對比傳統計算結果與使用有限元分析軟件的計算結果來闡述ANSYS用于設計復核的可行性，使校核工作方便快捷的進行，以供大家參考。
      雙人飛天游藝機是一種繞可變傾角軸低速旋轉的游樂設備，設備的升降及旋轉由程序通過液壓系統控制。某型號雙人飛天游藝機的結構簡圖。主要由基礎、主臂、懸臂、中心傳動架，吊椅部件、支撐架及液壓系統等組成。游藝機的吊椅通過懸臂與中心傳動架聯接，油缸伸縮使主臂升降的同時，由低速大扭矩馬達驅動中心傳動軸旋轉而帶動吊椅旋轉。主臂落在支撐架。
      主臂是游藝機的主要組成部分，是其完成預定動作的重要受力部件。它主要由厚10mm的鋼板焊接而成，內部設有加強筋與加固板，其根部與固定基礎通過水平銷軸鉸接，中部與液壓缸鉸接，可實現主臂在變幅平面內自由轉動。主臂強度是否滿足要求是游藝機是否合格的重要衡量指標。主臂處于兩種不同工作位置時的示意圖。對游藝機實際工作情況進行分析，在整個行程中液壓缸對主臂的作用力始終垂直于主臂，由于AD=AC，則該力矩的力臂不變，而隨著主臂仰角的增大，游藝機旋轉機構通過主軸對主臂的作用力臂減小。
      游藝機主臂所用材料為Q235鋼，其抗拉強度420MPa，在強度計算中，取安全系數為5。由于主臂屬于重要部件，則材料的彎曲、拉伸許用應力為84MPa，端面承壓許用應力為126MPa，剪切許用應力為48MPa。經過分析計算，主臂最不利斷而為液壓缸上鉸點處附近。
      由于雙人飛天游藝機的主臂是由薄板對焊起來的箱形結構，應該視為板殼模型。現采用ANSYS軟件對主臂進行有限元分析。
      為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實工況位置進行建模，根據游藝機設計圖紙，對旋轉系統水平時主臂的工況位置進行建模。筒體由薄板構成，首先取中面尺寸造型，構建主臂的1/2模型，而后鏡像得到整體結構。
      板采用板殼單元Shell63來離散。Shell63是一種4節點線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時考慮彎曲變形及中面內的膜力，比較符合主臂的實際受載情況。對于主臂的網格劃分，規則面采用四邊形單元，三角面采用三角形單元，控制單元形狀盡可能規則，避免形狀畸形。最終形成主臂的有限元模型規模：節點數8207個，單元數10157個，主臂所受的載荷有：自重、上部旋轉機構的重量、乘客重量、風載、液壓缸作用力及冰雪、地震載荷。由于主臂起升高度不大，風載在分析中忽略不計。其它載荷根據實際情況換算為加在主臂尾部平面上的均布載荷。其值為0.4MPa。約束處理：主臂頭部與固定基礎鉸接處，約束3個方向平移自由度和兩個方向的轉動自由度，釋放繞銷軸中心回轉的轉動自由度，液壓缸鉸點處同樣處理。
      通過對上述有限元模型進行計算，得到在計算工況下的最大變形量為2.052mm，位于主臂尾部，處于設計允許值范圍內，因此設計剛度滿足要求。應力分析結果及其與傳統計算值的比較，分析還得到最大應力出現在液壓缸上鉸點附近。
      對于游藝機的重要部件，Q235鋼復合許用應力為84MPa，因此經過有限元分析，可知主臂的強度通過要求，且與理論計算值相差在5%以內，符合校核標準，說明兩種方法結果吻合。
      通過對比兩種分析方式的結果，可知應用ANSYS軟件分析得到的應力值與通過傳統計算得到的計算值是接近的，因此使用ANSYS軟件進行游藝機的設計復核工作完全可行，且可以大大減輕工作量，提高工作效率。此外，由有限元分析云圖可知，最大位移位于主臂的尾部，因此在允許條件下，液壓缸上鉸點的選取應偏向尾部；而最大應力顯示發生在液壓缸上鉸點附近，因此，可在主臂中部耳板處設置加強板，可以有效避免應力集中現象的出現。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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