游樂設(shè)備挑臂梁設(shè)計(jì)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(jì)需求，對該設(shè)備的挑臂梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并重新對各零件進(jìn)行建模，有效縮短了設(shè)計(jì)周期。利用SolidWorks軟件，以國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范為依據(jù)，綜合應(yīng)用機(jī)械現(xiàn)代CAD技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(jì)。為相關(guān)游樂設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1導(dǎo)言

在當(dāng)代社會(huì)壓力下，人們需要宣泄和釋放壓力，所以娛樂活動(dòng)愈來愈受大家青睞，特別是驚險(xiǎn)刺激的游樂活動(dòng)，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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(xiàng)目的進(jìn)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(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，游樂行業(yè)不僅在西方發(fā)達(dá)國家得到進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)勁動(dòng)力，同時(shí)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(jì)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義

利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法對游樂設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要在保證其安全性能的前提下獲取最大經(jīng)濟(jì)效益，特別是大型游樂設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須以最危險(xiǎn)工況條件下的動(dòng)為學(xué)參數(shù)為參考依據(jù)對其進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。因?yàn)榇笮陀螛吩O(shè)備與一般的游藝設(shè)備不同，它是一種既刺激驚險(xiǎn)，又要保證其運(yùn)行安全的機(jī)械。而由于缺乏完善的安全法規(guī)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致游樂設(shè)備制造，設(shè)計(jì)不合理，再加上運(yùn)行單位安全意識(shí)不足和質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對陳舊游樂設(shè)備不按時(shí)進(jìn)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(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析并對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在物理樣機(jī)生產(chǎn)之前檢查設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

“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(dòng)時(shí)，懸臂梁不但呈順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，而且還會(huì)上下升降帶給游客如同置于宇宙空間的體驗(yàn)。對“升降飛碟”懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)節(jié)。油缸尺寸結(jié)構(gòu)的選定要結(jié)合實(shí)際情況來制定。對于“升降飛碟”這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、動(dòng)力屬性復(fù)雜、安全要求極高的設(shè)備，一般都會(huì)采用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，才能使“升降飛碟”實(shí)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(yùn)動(dòng)中依然要盡可能的降低震動(dòng)，所以選用液壓油缸作為驅(qū)動(dòng)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(qiáng)，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(jì)采用了10mm厚的鋼材焊接。由于游樂設(shè)備在運(yùn)行過程中，液壓油缸與挑臂梁的銜接處受力最為嚴(yán)重，所以為了有效分擔(dān)游樂設(shè)備在高速運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的水平應(yīng)力，提升挑臂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(tái)的輔助，我們可實(shí)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(yùn)動(dòng)下易產(chǎn)生形變威脅到結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)化挑臂梁強(qiáng)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(jì)團(tuán)隊(duì)最終選擇使用12mm的橫向隔板來加強(qiáng)內(nèi)部強(qiáng)度配置。另外，為了避免游樂設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下出現(xiàn)零部件的損壞，需要進(jìn)一步對耳板連接件進(jìn)行緊固，可采用柱銷緊固螺栓對耳板進(jìn)行固定。

5.2挑臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

所謂機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是指在保障機(jī)械設(shè)備基本功能性的前提下，通過對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化或零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整來強(qiáng)化其整體效益的過程。通過機(jī)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(jìn)一步提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?？墒褂肧olidWorks軟件平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對游樂設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

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

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

5.2.1.2目標(biāo)函數(shù)指的是最終的優(yōu)化目標(biāo)；

5.2.1.3約束條件是在計(jì)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(qiáng)度、位移距離等。在對“升降飛碟”游樂設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，需要首先進(jìn)行挑臂梁的靜力學(xué)分析（有限元），進(jìn)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(jìn)行計(jì)算，進(jìn)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(jì)中存在的隱患和可以優(yōu)化的項(xiàng)目，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。靜力學(xué)分析首先要?jiǎng)?chuàng)建新算例，其次要對應(yīng)用材料進(jìn)行選擇，再添加夾具變量的計(jì)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(jì)為切入點(diǎn)，運(yùn)用多種設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合CAD技術(shù)對其進(jìn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)超出0.7（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)3.5），完全滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)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(jì)庫功能進(jìn)行建模，對標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升挑臂梁設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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[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 ）