游樂(lè)設(shè)備挑臂梁設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

花志雄

摘要：本文結(jié)合筆者在蘭州萬(wàn)達(dá)城開(kāi)發(fā)有限公司中的工作實(shí)踐，以自控飛機(jī)類游樂(lè)設(shè)備中的“升降飛碟”設(shè)備為例，將其中的懸挑梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)調(diào)整為高度為240毫米、寬度為220毫米、質(zhì)量為309.125千克。并對(duì)優(yōu)化后的挑臂梁結(jié)構(gòu)展開(kāi)虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)，結(jié)果為：在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，挑臂梁自重降低，且該結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)與強(qiáng)度均達(dá)到自控飛機(jī)類游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：游樂(lè)設(shè)備;挑臂梁;虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)

1.游樂(lè)設(shè)備概述

當(dāng)前，游樂(lè)設(shè)備的種類更為多樣，本研究主要選取了自控飛機(jī)類游樂(lè)設(shè)備中的“升降飛碟”設(shè)備為對(duì)象。根據(jù)《自控飛機(jī)類游樂(lè)設(shè)施通用技術(shù)條件》（GB/T 18163-2020）中的相關(guān)規(guī)定，確定出升降飛碟設(shè)備的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：乘員數(shù)量為4;載重量為250千克;挑臂梁長(zhǎng)度為4875毫米;回轉(zhuǎn)直徑不低于10;升降角度為30°;驅(qū)動(dòng)形式為液壓油缸;挑梁形式為碳素合金鋼（Q235B）。

在模擬運(yùn)行中，可以將乘客與座椅視為一個(gè)整體。在升降飛碟設(shè)備運(yùn)行中的，該結(jié)構(gòu)整體（乘客+座椅）會(huì)受到重力與離心力的影響，這些力需要挑臂梁承受。同時(shí)，座椅在升降飛碟設(shè)備運(yùn)行時(shí)還對(duì)發(fā)生位置變化，因此相應(yīng)的受力也發(fā)生改變。結(jié)合上述參數(shù)，可以計(jì)算得出升降飛碟設(shè)備上升至30°時(shí)，乘客與座椅結(jié)構(gòu)整體所產(chǎn)生的離心力為770N;根據(jù)平衡方程，得到在升降飛碟設(shè)備上升至最高點(diǎn)時(shí)，連接處受到的應(yīng)力最大達(dá)到12450N。

2.游樂(lè)設(shè)備挑的臂梁三維建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1挑臂梁結(jié)構(gòu)三維建模

出于對(duì)滿足承載以及減輕自重的雙重考量，本次設(shè)計(jì)中選用8毫米厚度的鋼板焊接成挑臂梁，并在其上方設(shè)置可以連接油缸的吊耳。受力最大的區(qū)域?yàn)橛透着c挑臂梁吊耳連接處所承受的力，因此在油缸與腹板連接區(qū)域設(shè)置弧形吊耳裝置，能夠在保證挑臂梁承受較大荷載的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分散。為了避免油缸推力過(guò)大的問(wèn)題發(fā)生，降低挑臂梁腹板產(chǎn)生變形的概率，在本次設(shè)計(jì)中引入了挑臂梁內(nèi)部擱板結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中，選用了橫向隔板，厚度控制在10毫米。本升降飛碟設(shè)備中的挑臂梁高度為240毫米，因此在相應(yīng)下腹板區(qū)域內(nèi)設(shè)置4個(gè)橫向隔板。為了進(jìn)一步避免挑臂梁變形，同時(shí)引入了橫隔板，控制相鄰橫隔板之間的間距為300毫米。

在進(jìn)行懸臂梁的三維建模過(guò)程中，使用的軟件為SoildWorks，結(jié)合拉伸、切除等命令操作完成挑臂梁的實(shí)體建模[1]。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次升降飛碟設(shè)備的挑臂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要引入的要點(diǎn)內(nèi)容如下所示：控制挑臂梁兩端軸孔之間的中心距保持穩(wěn)定，參考挑臂梁高度、寬度、板材厚度變量，完成其長(zhǎng)度范圍的分別定義，將步長(zhǎng)設(shè)定為1毫米;為了確保升降飛碟設(shè)備中挑臂梁結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)不低于3.5，需要將相應(yīng)結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力設(shè)置為67MPa;本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為保證挑臂梁承載力滿足要求的基礎(chǔ)上降低結(jié)構(gòu)自重，因此主要將挑臂梁質(zhì)量最小化設(shè)定為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

總體來(lái)說(shuō)，在挑臂梁結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定在240毫米、寬度穩(wěn)定在220毫米、壁厚穩(wěn)定在6毫米的條件下，最大應(yīng)力達(dá)到56.014MPa，相比于材料屈服強(qiáng)度（235MPa）更小。相對(duì)應(yīng)的，結(jié)構(gòu)自重有所下降，由原有的366.067千克降低至301.174千克。同時(shí)，優(yōu)化后的挑臂梁結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為4.2，滿足不低于3.5的要求。

2.3吊耳結(jié)構(gòu)的確定與優(yōu)化

為了避免發(fā)生應(yīng)力集中的問(wèn)題，在本次設(shè)計(jì)中主要經(jīng)耳板設(shè)計(jì)為類似于扇形的形狀。同時(shí)，出于對(duì)挑臂梁強(qiáng)度的考量，對(duì)耳板結(jié)構(gòu)展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體有：在耳板長(zhǎng)度穩(wěn)定在608毫米、耳板外圓半徑穩(wěn)定在109毫米、耳板左側(cè)鋼板與水平夾角為50°的條件下，耳板所受的最大應(yīng)力達(dá)到58.514MPa，相比于材料屈服強(qiáng)度（235MPa）更小。

在挑臂梁結(jié)構(gòu)中，耳板腹板位置所受的應(yīng)力最大，由于箱梁腹板承受較大壓力容易失穩(wěn)，因此在本次設(shè)計(jì)中主要在挑臂梁內(nèi)部焊接加強(qiáng)筋板，以此達(dá)到分散應(yīng)力、增加挑臂梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的效果。設(shè)計(jì)中，在挑臂梁吊耳附近區(qū)域加焊了4個(gè)厚度為l0毫米的強(qiáng)筋板，實(shí)現(xiàn)挑臂梁強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.4標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用

在升降飛碟設(shè)備懸挑梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用的零件大多為標(biāo)準(zhǔn)件，因此在建立結(jié)構(gòu)三維模型的過(guò)程中，可以直接從標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)，降低挑臂梁結(jié)構(gòu)三維建模的時(shí)長(zhǎng)，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。在本次設(shè)計(jì)中，選用的軟件為SoildWorks，其中包含著螺母、螺栓與螺釘、軸承、密封件、異形孔向?qū)Э椎葮?biāo)準(zhǔn)件參數(shù)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中由“設(shè)計(jì)庫(kù)”中直接調(diào)取即可。

3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)

3.1虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)

使用CAD軟件建立起相應(yīng)挑臂梁結(jié)構(gòu)虛擬模型，展開(kāi)虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)，確定升降飛碟運(yùn)行中挑臂梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠性[3]。在虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)中，輸入的升降飛碟挑臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)為：挑臂梁高度為240毫米、挑臂梁寬度為220毫米、挑臂梁質(zhì)量為309.125千克。還要輸入升降飛碟設(shè)備挑臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的參數(shù)，形成優(yōu)化設(shè)計(jì)前模型，相應(yīng)參數(shù)具體為：挑臂梁高度為250毫米、挑臂梁寬度為230毫米、挑臂梁質(zhì)量為400千克。

同時(shí)，在設(shè)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)的過(guò)程中，落實(shí)的要點(diǎn)為：挑臂梁鋼材的型號(hào)為Q-235B，根據(jù)挑臂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后質(zhì)量，確定“乘客+座椅”結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為300千克;設(shè)定引力方向?yàn)樨Q直向下，大小為12m/s2;設(shè)定零部件之間的接觸類型為實(shí)體接觸。另外，將升降飛碟設(shè)備挑臂梁結(jié)構(gòu)的仿真模擬運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為20秒，并將Motion分析時(shí)每秒幀數(shù)設(shè)定為25?；谏鲜鰲l件，構(gòu)建挑臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的虛擬模型，分別進(jìn)行仿真運(yùn)行，并對(duì)比兩模型運(yùn)行的最終數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.2結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)仿真模擬運(yùn)行，得到的升降飛碟設(shè)備挑臂梁關(guān)鍵部位受力數(shù)據(jù)如下所示：在優(yōu)化設(shè)計(jì)前，挑臂梁軸端受力X方向?yàn)?990N、Y方向?yàn)?1067N、Z方向?yàn)?53N;油缸對(duì)懸挑梁的作用力X方向?yàn)?1118N、Y方向?yàn)?7845N;座椅對(duì)梁的作用力X方向?yàn)?4963N、Y方向?yàn)?458N、Z方向?yàn)?03N。在優(yōu)化設(shè)計(jì)后，挑臂梁軸端受力X方向?yàn)?200N、Y方向?yàn)?875N、Z方向?yàn)?31N;油缸對(duì)懸挑梁的作用力X方向?yàn)?9268N、Y方向?yàn)?3799N;座椅對(duì)梁的作用力X方向?yàn)?2767N、Y方向?yàn)?911N、Z方向?yàn)?15N。

依托上述數(shù)據(jù)結(jié)果能夠了解到，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，升降飛碟設(shè)備的挑臂梁關(guān)鍵部位受力最大值較假定分析時(shí)表現(xiàn)出更小的結(jié)果，且挑臂梁質(zhì)量較小，保證了挑臂梁結(jié)構(gòu)在質(zhì)量較小的同時(shí)所受應(yīng)力較小的設(shè)計(jì)要求;在完成挑臂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化后，升降飛碟設(shè)備的挑臂梁質(zhì)量較假定的挑臂梁質(zhì)量相差22.70l，在允許誤差范圍內(nèi)。優(yōu)化后的挑臂梁的質(zhì)心位置為（2565.651，-52.519 0），與假定挑臂梁質(zhì)心位置相差較小，符合要求。

綜合來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，升降飛碟設(shè)備挑臂梁結(jié)構(gòu)的自重降低，結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性提升，關(guān)鍵點(diǎn)受力降低，該結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)與強(qiáng)度均達(dá)到自控飛機(jī)類游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

總結(jié)：綜上所述，使用SoildWorks軟件對(duì)升降飛碟設(shè)備中的懸挑梁結(jié)構(gòu)展開(kāi)三維建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)，將懸挑梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)調(diào)整為挑臂梁高度為240毫米、挑臂梁寬度為220毫米、挑臂梁質(zhì)量為309.125千克。經(jīng)過(guò)基于CAD軟件的虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)，得到的仿真運(yùn)行結(jié)果為：在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，挑臂梁質(zhì)量較小，保證了挑臂梁結(jié)構(gòu)在質(zhì)量較小的同時(shí)所受應(yīng)力較小的設(shè)計(jì)要求;經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，挑臂梁關(guān)鍵點(diǎn)受力降低，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)與強(qiáng)度均達(dá)到自控飛機(jī)類游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。