经典案例
  • 有限元分析在机械产品设计的应用
  • 汽车转向机构有限元分析与优化
  • 风力发电机主轴结构强度分析
  • 发动机连杆的强度分析与结构优化
  • 车辆传动轴的强度分析与方案改进
  • 摩托车车架的刚度及强度分析
  • 注塑模具机构强度分析及结构优化
  • 变速箱轴键强度校核及结构改进
  • 挖掘机铲斗有限元计算和强度分析

游艺机主臂设计校核的有限元分析

发布于:2018-06-20 18:38
有限元分析

      近些年,越来越多的大型主题游乐园在城市中建成,其中最主要的设备就是游艺机。因游艺机具有较强的游客参与性和人机互动性,一旦发生事故会造成人员伤亡和重大经济损失,因此要求其设计、制造、安装、改造、维修、使用、检测检验等七个环节必须在特种设备安全监督管理部门的安全监察之下,其中对生产厂的设计文件要求必须由经核准的技术机构进行鉴定。目前研究游艺机复核的文献相对较少,有关机构对游艺机复核的工作大多采用传统力学计算的方式,存在周期长、工作量大的弊端,下面就以“双人飞天”游艺机主臂强度校核为例,通过对比传统计算结果与使用有限元分析App的计算结果来阐述ANSYS用于设计复核的可行性,使校核工作方便快捷的进行,以供大家参考。
      双人飞天游艺机是一种绕可变倾角轴低速旋转的游乐设备,设备的升降及旋转由程序通过液压系统控制。某型号双人飞天游艺机的结构简图。主要由基础、主臂、悬臂、中心传动架,吊椅部件、支撑架及液压系统等组成。游艺机的吊椅通过悬臂与中心传动架联接,油缸伸缩使主臂升降的同时,由低速大扭矩马达驱动中心传动轴旋转而带动吊椅旋转。主臂落在支撑架。
      主臂是游艺机的主要组成部分,是其完成预定动作的重要受力部件。它主要由厚10mm的钢板焊接而成,内部设有加强筋与加固板,其根部与固定基础通过水平销轴铰接,中部与液压缸铰接,可实现主臂在变幅平面内自由转动。主臂强度是否满足要求是游艺机是否合格的重要衡量指标。主臂处于两种不同工作位置时的示意图。对游艺机实际工作情况进行分析,在整个行程中液压缸对主臂的作用力始终垂直于主臂,由于AD=AC,则该力矩的力臂不变,而随着主臂仰角的增大,游艺机旋转机构通过主轴对主臂的作用力臂减小。
      游艺机主臂所用材料为Q235钢,其抗拉强度420MPa,在强度计算中,取安全系数为5。由于主臂属于重要部件,则材料的弯曲、拉伸许用应力为84MPa,端面承压许用应力为126MPa,剪切许用应力为48MPa。经过分析计算,主臂最不利断而为液压缸上铰点处附近。
      由于双人飞天游艺机的主臂是由薄板对焊起来的箱形结构,应该视为板壳模型。现采用ANSYSApp对主臂进行有限元分析。
      为确保其重心位置的正确性,必须以吊臂的真实工况位置进行建模,根据游艺机设计图纸,对旋转系统水平时主臂的工况位置进行建模。筒体由薄板构成,首先取中面尺寸造型,构建主臂的1/2模型,而后镜像得到整体结构。
      板采用板壳单元Shell63来离散。Shell63是一种4节点线弹性单元,它遵循基尔霍夫假定,即变形前垂直中面的法线变形后仍垂直于中面,而且这种单元可以同时考虑弯曲变形及中面内的膜力,比较符合主臂的实际受载情况。对于主臂的网格划分,规则面采用四边形单元,三角面采用三角形单元,控制单元形状尽可能规则,避免形状畸形。最终形成主臂的有限元模型规模:节点数8207个,单元数10157个,主臂所受的载荷有:自重、上部旋转机构的重量、乘客重量、风载、液压缸作用力及冰雪、地震载荷。由于主臂起升高度不大,风载在分析中忽略不计。其它载荷根据实际情况换算为加在主臂尾部平面上的均布载荷。其值为0.4MPa。约束处理:主臂头部与固定基础铰接处,约束3个方向平移自由度和两个方向的转动自由度,释放绕销轴中心回转的转动自由度,液压缸铰点处同样处理。
      通过对上述有限元模型进行计算,得到在计算工况下的最大变形量为2.052mm,位于主臂尾部,处于设计允许值范围内,因此设计刚度满足要求。应力分析结果及其与传统计算值的比较,分析还得到最大应力出现在液压缸上铰点附近。
      对于游艺机的重要部件,Q235钢复合许用应力为84MPa,因此经过有限元分析,可知主臂的强度通过要求,且与理论计算值相差在5%以内,符合校核标准,说明两种方法结果吻合。
      通过对比两种分析方式的结果,可知应用ANSYSApp分析得到的应力值与通过传统计算得到的计算值是接近的,因此使用ANSYSApp进行游艺机的设计复核工作完全可行,且可以大大减轻工作量,提高工作效率。此外,由有限元分析云图可知,最大位移位于主臂的尾部,因此在允许条件下,液压缸上铰点的选取应偏向尾部;而最大应力显示发生在液压缸上铰点附近,因此,可在主臂中部耳板处设置加强板,可以有效避免应力集中现象的出现。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州小鱼儿科技有限企业
                                                                              本文出自杭州小鱼儿科技有限企业www.nataid.com,转载请注明出处和相关链接!

tag标签:
------分隔线----------------------------
------分隔线----------------------------
XML 地图 | Sitemap 地图