游樂設(shè)備挑臂梁設(shè)計及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

龔耀明

摘要：本文以“升降飛碟”游樂設(shè)備的挑臂梁為研究對象，在設(shè)定的原始參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)游樂設(shè)備的理論設(shè)計需求，對該設(shè)備的挑臂梁設(shè)計進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并重新對各零件進行建模，有效縮短了設(shè)計周期。利用SolidWorks軟件，以國家標準及規(guī)范為依據(jù)，綜合應(yīng)用機械現(xiàn)代CAD技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)分析和靜力學(xué)分析，找出了最佳的參數(shù)組合方案，完成游樂設(shè)備挑臂梁的總體設(shè)計。為相關(guān)游樂設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考，并指出全新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路。

關(guān)鍵詞：游樂設(shè)備；挑臂梁設(shè)計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1導(dǎo)言

在當(dāng)代社會壓力下，人們需要宣泄和釋放壓力，所以娛樂活動愈來愈受大家青睞，特別是驚險刺激的游樂活動，如過山車、升降飛碟等，這也就激發(fā)了游樂行業(yè)的發(fā)展。但由于我國游樂行業(yè)起步晚，發(fā)展技術(shù)仍不成熟，設(shè)備及技術(shù)更新緩慢導(dǎo)致依然存在很多安全隱患，對游客的安全也造成了不小的威脅，身邊與之相關(guān)的安全事故也時有發(fā)生，因此如何有效提高游樂設(shè)備安全性及穩(wěn)定性顯得十分重要?；诖?，本文就針對游樂設(shè)備挑臂梁設(shè)計及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開分析。旨在同行參考借鑒。

2游樂設(shè)備的發(fā)展情況

游樂設(shè)備最早起源于歐洲，早期的游樂設(shè)備僅用于人們平時的休閑娛樂。就近幾年游樂行業(yè)特別是游樂設(shè)備的發(fā)展來看，大型游樂設(shè)備的設(shè)計和制造不再局限于過去的主題公園等應(yīng)用領(lǐng)域，而是隨著現(xiàn)代城市綜合體項目的進一步發(fā)展，與城市綜合體相配套的大型游樂設(shè)施將成為未來游樂設(shè)備市場的需求熱點。進入21世紀以來，游樂行業(yè)不僅在西方發(fā)達國家得到進一步發(fā)展，同時中國、南美等發(fā)展中國家的游樂設(shè)備需求也在快速增長，尤其是非洲、東南亞一些發(fā)展較緩慢的地區(qū)，游樂行業(yè)的增速遠遠超過其他地區(qū)，成為游樂設(shè)備銷售的主戰(zhàn)場。龐大的市場需求是大型游樂設(shè)備發(fā)展的強勁動力，同時也使得和游樂設(shè)備相配套的其他產(chǎn)品得到了快速發(fā)展。

3 分析游樂設(shè)備挑臂梁設(shè)計及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義

利用現(xiàn)代計算機設(shè)計方法對游樂設(shè)備進行設(shè)計時，要在保證其安全性能的前提下獲取最大經(jīng)濟效益，特別是大型游樂設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須以最危險工況條件下的動為學(xué)參數(shù)為參考依據(jù)對其進行分析設(shè)計。因為大型游樂設(shè)備與一般的游藝設(shè)備不同，它是一種既刺激驚險，又要保證其運行安全的機械。而由于缺乏完善的安全法規(guī)及相關(guān)技術(shù)標準，導(dǎo)致游樂設(shè)備制造，設(shè)計不合理，再加上運行單位安全意識不足和質(zhì)檢機構(gòu)對陳舊游樂設(shè)備不按時進行安全評估等一系列的問題，從而引發(fā)安全事故。利用現(xiàn)代CAD技術(shù)可以對各種游樂設(shè)備的關(guān)鍵零部件進行動力學(xué)分析并對其進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，從而在物理樣機生產(chǎn)之前檢查設(shè)備設(shè)計的合理性，進行產(chǎn)品性能和可行性分析，并針對一些不符合要求的結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化設(shè)計。

4游樂設(shè)備升降飛碟的關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

“升降飛碟”的結(jié)構(gòu)設(shè)置比較復(fù)雜，屬于大型游樂設(shè)備，在設(shè)備啟動時，懸臂梁不但呈順時針高速旋轉(zhuǎn)，而且還會上下升降帶給游客如同置于宇宙空間的體驗。對“升降飛碟”懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計要第一明確其結(jié)構(gòu)尺寸的具體參數(shù)，并對其重要零部件的尺寸進行調(diào)節(jié)。油缸尺寸結(jié)構(gòu)的選定要結(jié)合實際情況來制定。對于“升降飛碟”這種結(jié)構(gòu)強度大、動力屬性復(fù)雜、安全要求極高的設(shè)備，一般都會采用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動動力，才能使“升降飛碟”實現(xiàn)大范圍的無極調(diào)速并保持一定的穩(wěn)定性，在連續(xù)性的轉(zhuǎn)向運動中依然要盡可能的降低震動，所以選用液壓油缸作為驅(qū)動系統(tǒng)是較為穩(wěn)妥的選擇。油缸的安裝主要是支座結(jié)構(gòu)與耳板銷軸的選定問題，其中液壓油缸的主要銜接部件是耳環(huán)支座。

5游樂設(shè)備升降飛碟的三維建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

5.1挑臂梁三維建模

箱梁結(jié)構(gòu)的自重較輕，且工藝結(jié)構(gòu)簡單方便，加上承載能力較強，所以挑臂梁的基本架構(gòu)選擇箱梁結(jié)構(gòu)。本文所研究的“升降飛碟”游樂設(shè)備的挑臂梁設(shè)計采用了10mm厚的鋼材焊接。由于游樂設(shè)備在運行過程中，液壓油缸與挑臂梁的銜接處受力最為嚴重，所以為了有效分擔(dān)游樂設(shè)備在高速運動過程中產(chǎn)生的水平應(yīng)力，提升挑臂梁的結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性，可在銜接處加裝吊耳裝置來分散載荷。通過SolidWorks軟件平臺的輔助，我們可實現(xiàn)對游樂設(shè)備挑臂梁的整體建模。

由于設(shè)備高速高速運動下易產(chǎn)生形變威脅到結(jié)構(gòu)強度和安全性，所以可通過在挑臂梁內(nèi)加裝內(nèi)部隔板來強化挑臂梁強度，避免因油缸推力過大而引發(fā)的形變現(xiàn)象。依據(jù)該設(shè)備的具體應(yīng)用情況，設(shè)計團隊最終選擇使用12mm的橫向隔板來加強內(nèi)部強度配置。另外，為了避免游樂設(shè)備在高速運轉(zhuǎn)情況下出現(xiàn)零部件的損壞，需要進一步對耳板連接件進行緊固，可采用柱銷緊固螺栓對耳板進行固定。

5.2挑臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

所謂機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是指在保障機械設(shè)備基本功能性的前提下，通過對其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化或零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整來強化其整體效益的過程。通過機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效降低加工成本和能耗，提升生產(chǎn)效率，且進一步提升其結(jié)構(gòu)強度?？墒褂肧olidWorks軟件平臺的優(yōu)化設(shè)計功能對游樂設(shè)備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5.2.1需要先構(gòu)建一個模型，也就是對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行建模，在優(yōu)化算法下對所有函數(shù)進行迭代計算，再通過整合來獲得最佳設(shè)計方案。優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)模型需要對3個方面進行優(yōu)化：分別是設(shè)計變量、目標函數(shù)與約束條件。

5.2.1.1設(shè)計變量是機械結(jié)構(gòu)的基本要素，通過調(diào)節(jié)設(shè)計變量并觀察和計算結(jié)果的差異，就能夠獲得最優(yōu)的模型參數(shù)，比如機械結(jié)構(gòu)的長寬、角度等。

5.2.1.2目標函數(shù)指的是最終的優(yōu)化目標；

5.2.1.3約束條件是在計算控制變量過程中對結(jié)構(gòu)性能及模型狀態(tài)的數(shù)據(jù)限制，比如應(yīng)力強度、位移距離等。在對“升降飛碟”游樂設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要首先進行挑臂梁的靜力學(xué)分析（有限元），進而確定約束條件，算出應(yīng)力和變形情況；

5.2.2對挑臂梁應(yīng)力變化的極值進行計算，進而求得應(yīng)力分布情況；

5.2.3通過對數(shù)學(xué)模型的詳盡分析，找出當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的隱患和可以優(yōu)化的項目，并依據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)整。靜力學(xué)分析首先要創(chuàng)建新算例，其次要對應(yīng)用材料進行選擇，再添加夾具變量的計算，最后定義網(wǎng)格參數(shù)。

6結(jié)語

綜上可知，本文以游樂設(shè)備的挑臂梁設(shè)計為切入點，運用多種設(shè)計軟件，結(jié)合CAD技術(shù)對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真分析。通過對挑臂梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其質(zhì)量下降了16.8%，但安全系數(shù)比設(shè)計標準超出0.7（設(shè)計標準3.5），完全滿足設(shè)計需求，實現(xiàn)了承載力和安全性的雙贏。最后還可使用SolidWorks自帶的設(shè)計庫功能進行建模，對標準件應(yīng)用進行優(yōu)化，進一步提升挑臂梁設(shè)計的質(zhì)量。

參考文獻：

[1]倪寶偉，華新，周青.關(guān)于大挑臂橋墩蓋梁簡化模型的精度驗證[J].2016.

[2]梁紹佺.淺析大型游樂設(shè)施的虛擬仿真分析方法[J].2016.

（作者單位：海長隆投資發(fā)展有限公司海洋王國 ）