基于動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的搖頭飛椅座椅骨架安全性分析*

趙九峰

(河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析通過虛擬實(shí)驗(yàn)精確、快捷地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整機(jī)性能，解決產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)、變形、強(qiáng)度、壽命等問題。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)融合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整機(jī)模型，并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能[1]。使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在各種虛擬環(huán)境中，真實(shí)模擬產(chǎn)品整體的運(yùn)動(dòng)及受力情況，分析其性能，更好地理解機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，精確預(yù)測(cè)載荷變化，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度等[2]。

搖頭飛椅屬飛行塔類的游樂設(shè)施，搖頭飛椅運(yùn)行過程中，乘客乘坐在懸掛于傘架的座椅上,經(jīng)歷邊旋轉(zhuǎn)邊升降，集旋轉(zhuǎn)、升降、變傾角等多種運(yùn)動(dòng)形式于一體的合成運(yùn)動(dòng),座椅受到的載荷不斷變化，而座椅骨架的安全性評(píng)價(jià)直接關(guān)系到乘客的人身安危。因此對(duì)座椅載荷進(jìn)行精確的計(jì)算并對(duì)座椅骨架進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，成為制造企業(yè)急需解決的問題。

搖頭飛椅座椅載荷在設(shè)備運(yùn)行過程中不斷變化，最大載荷難以確定，設(shè)計(jì)參數(shù)不合理會(huì)造成對(duì)零部件做出錯(cuò)誤的安全評(píng)價(jià)甚至?xí)乖O(shè)計(jì)出的產(chǎn)品發(fā)生危險(xiǎn)，針對(duì)上述問題，通過ANSYS Workbench軟件，對(duì)搖頭飛椅進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算和對(duì)座椅骨架進(jìn)行有限元分析，保證了座椅的安全性。

1 搖頭飛椅運(yùn)行原理

搖頭飛椅的特點(diǎn)：傘架和座椅沿著立柱軌道一邊上升一邊旋轉(zhuǎn)，立柱軌道上部彎曲一定角度，傘架上升一定高度后座椅隨傘架傾斜旋轉(zhuǎn)，乘人隨著座椅時(shí)而上升時(shí)而下沖， 乘人隨座椅起伏不定，充滿了刺激、樂趣。搖頭飛椅主要由傘架部件、座椅部件(含錨鏈)、立柱軌道、支架部件和護(hù)欄等部件組成[4]，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 搖頭飛椅設(shè)備簡(jiǎn)圖

搖頭飛椅有上、下兩組回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別連接傘架與立柱軌道、支架與立柱軌道?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速機(jī)、小齒輪和回轉(zhuǎn)支承組成。搖頭飛椅的工作程序如下：油泵電機(jī)啟動(dòng)油缸升起，下回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)、上回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)，傘架開始旋轉(zhuǎn)，傘架沿著立柱軌道升到上部開始搖頭，運(yùn)行一定時(shí)間后，油缸下降，傘架也開始下降，最后停止，一個(gè)工作周期完成。

2 搖頭飛椅的動(dòng)力學(xué)分析

Rigid Dynamics是ANSYS Workbench的一個(gè)附加模塊，專用于模擬由運(yùn)動(dòng)副和彈簧連接起來的剛性組件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，其提供的完整的運(yùn)動(dòng)副類型來自動(dòng)定義構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并提供了豐富的載荷庫，以此來創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型[3]。Rigid Dynamics采用了無需迭代計(jì)算和收斂檢查的顯式積分技術(shù)，并提供了自動(dòng)時(shí)間步功能，來快速求解復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，輸出位移、速度、加速度和反作用力等歷程曲線[4]。

搖頭飛椅運(yùn)行過程中，傘架繞彎曲的導(dǎo)向立柱運(yùn)動(dòng)，座椅承受載荷不斷變化，難以通過理論計(jì)算進(jìn)行精確求解。為了準(zhǔn)確的模擬出座椅所受的載荷，采用Rigid Dynamics模塊對(duì)搖頭飛椅整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，座椅骨架所受的載荷，提取整個(gè)周期內(nèi)載荷的最大值，為進(jìn)一步對(duì)座椅骨架進(jìn)行評(píng)價(jià)分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 載荷與約束

以36座搖頭飛椅為計(jì)算對(duì)象，分別建立各部件的實(shí)體模型，并在軟件中進(jìn)行裝配，每個(gè)乘人質(zhì)量為75 kg,利用質(zhì)量單元(Point Mass),附加到座椅的相應(yīng)位置。支架的底板固定在地面，施加固定(Fixed)約束。立柱軌道繞支架中心旋轉(zhuǎn)，傘架繞立柱軌道旋轉(zhuǎn)，分別施加旋轉(zhuǎn)幅(Revolute)，并施加驅(qū)動(dòng)載荷(Joint Load)，載荷類型為旋轉(zhuǎn)速度(Rotational Velocity)。搖頭飛椅在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，始終受到地球重力的作用，方向?yàn)閅向負(fù)向，參數(shù)為9.8 m/s2。載荷與約束如圖2所示。

圖2 載荷與約束

2.2 結(jié)果提取與分析

定義仿真分析時(shí)間為40 s(其中起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間分別為10 s)，最小時(shí)間步為0.001 s，經(jīng)過仿真分析，得到在運(yùn)動(dòng)過程中座椅載荷的時(shí)間歷程曲線，如圖3(a)所示。圖中可以看出，在運(yùn)行周期內(nèi)，座椅載荷出現(xiàn)多個(gè)峰值，其中在穩(wěn)定運(yùn)行階段，即18 s時(shí)，座椅載荷出現(xiàn)最大峰值，提取此刻座椅的載荷示意圖，如圖3(b)所示，此時(shí)座椅運(yùn)行到最低位置，載荷值為1 143 N。

圖3 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

動(dòng)力學(xué)分析能夠較精確地計(jì)算出作用在零件上的載荷，確定在動(dòng)力載荷作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移、反力等量值隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而找出最大值，為進(jìn)一步進(jìn)行主要零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析的依據(jù)[5]，因此，對(duì)游樂設(shè)備主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算之前，首先應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算[6]。

3 座椅骨架有限元分析

座椅在承受外界載荷時(shí)，主要受力部件是骨架，骨架上面的玻璃鋼等對(duì)外部載荷的分配很少，通常用來提高座椅的舒適性，因此對(duì)座椅進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，僅對(duì)座椅骨架進(jìn)行建模[7]。座椅骨架主要由鋼管(φ25×1)焊接而成，材料為304不銹鋼(抗拉強(qiáng)度σb=520 MPa)，取鋼材的彈性模量2.0×1011N/m2，鋼材的密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，采用2節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧?BEAM188)[8]，建立座椅骨架的有限元模型如圖4(a)所示。

座椅骨架通過錨鏈連接傘架，連接部位施加全約束。由第2節(jié)動(dòng)力學(xué)分析可知，座椅承受的最大載荷為1 143 N ,考慮1.4倍的沖擊系數(shù)，座椅底部施加1 143×1.4=1 600 N的向下壓力，載荷與約束如圖4(b)所示。

圖4 搖頭飛椅座椅骨架模型與載荷

經(jīng)過有限元分析計(jì)算可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在座椅骨架前端橫梁中部，最大值為72.6 MPa，座椅骨架的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 座椅骨架應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

以某36座搖頭飛椅為工程背景，對(duì)搖頭飛椅進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析和座椅骨架的安全性評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 剛體動(dòng)力學(xué)分析能夠模擬運(yùn)行工況下座椅載荷的時(shí)間歷程曲線，提取曲線上的最大值對(duì)座椅骨架進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行校核評(píng)價(jià)，滿足了搖頭飛椅座椅骨架運(yùn)行安全系數(shù)的要求，并為搖頭飛椅零部件

的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

(2) 基于虛擬樣機(jī)的剛體動(dòng)力學(xué)分析為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，提供了數(shù)據(jù)支持，與傳統(tǒng)方法相比更準(zhǔn)確、可靠，同時(shí)可獲得解析方法難以求解的極值參數(shù)，動(dòng)力學(xué)分析減小了常規(guī)計(jì)算帶來的設(shè)計(jì)誤差，提高了設(shè)計(jì)效率和計(jì)算精度[10]，為游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論依據(jù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。