海盗船主结构有限元分析

王 宁, 张文明

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

经过多年的发展,我国游乐设施已逐步发展成熟,无论在技术还是在生产能力都能够满足社会游乐发展的需求.游乐设施的主体结构大都是钢结构形式,其结构的稳定性及强度直接影响着乘客的生命安全[1].因此,国家质检总局在审核时对设备的安全系数有着严格的要求.在设计计算时必须用精确度较高的软件对设备进行分析.而ANSYS软件 功能强大,操作简单方便,现在已成为国际最流行的有限元分析软件,在历年的 FEA (Finite Element Analysis)有限元分析评比中都名列第一.基于此背景,利用有限元ANSYS软件对海盗船进行结构分析[2].

1 海盗船结构及运行原理

海盗船游乐设备受力结构由主支架、主拉杆、副拉杆、船体骨架、驱动装置等几部分组成,整体结构见图 1.座椅沿船体骨架布置,游客由安全压杠约束在座椅上,船体通过主拉杆与主支架连接,主支架下端与预埋钢结构连接.海盗船主拉杆、船体骨架及座椅骨架是由板材通过焊接及螺栓连接而成,主支架是由φ508 mm×15 mm大直径无缝钢管通过焊接和螺栓连接而成的钢架结构[3].

图1 海盗船结构简图Fig.1 Structure diagram of pirate ship

2 海盗船计算载荷及工况

2.1 海盗船计算载荷

海盗船属于游乐园的大型游乐设备,其Tekla Structures 模型如图2所示,可用于重量、重心计算和结构工况分析.海盗船共12个座椅,每个座椅可以乘坐5位乘客,满载时有60位乘客.设备外形尺寸(长×宽×高)为19.6 m×9.4 m×17 m ,最大摆角α=±60°,船底最大线速度为10.5 m·s-1,满载摆动体质心回转半径R为11.2 m.

图2 Tekla Structures模型Fig.2 Model of Tekla Structures

根据相关设计技术资料,分别按以下几种工况对海盗船模型进行分析计算.

(1) 永久载荷Gk.满载摆动体(船壳、船体骨架、压杠、包括制动器及其支架的座椅、主拉杆、副拉杆)总质量m的计算取值为13 131.27 kg,则Gk=mg=13 131.27×9.8=128 686.446 (N)≈128.7 kN,g为重力加速度,g=9.8 m·s-2.

(2) 活荷载Q1.按照《GB 8408—2008 》游乐设施安全规范中的规定,每个乘客按照700 N计算,则满载60人时的最大乘客载荷Q1=42 kN.每个座椅的活荷载为Q1/12=3.5 kN.

(3) 正常风载荷Q7.正常工作状态下风速v可达15 m·s-1, 通过CAD计算主架体承受风载荷面积S1=21.766 1 m2,则主架体承受的风载荷Q7F=S1v2/1 600=21.766 1×152/1 600≈3.06 (kN),加载时将Q7F均匀加载到主架体迎风面所有节点上.通过CAD计算摇摆体承受风载荷面积S2=34.958 6 m2,其几何形心距离主吊挂板中心距离r=10.2 m.则摇摆体承受风荷载Q7M=S2v2r/1 600=34.958 6×152×10.2/1 600≈50.14 (kN·m),分析时将Q7M以力偶的形式加载到主架体的主吊挂板处.即Q7=Q7F+Q7M.

(4) 极端风荷载Q7max.13级以上大风恶劣天气状态下,最大风速vmax可达41.4 m·s-1,则主架体承受极端风载荷Q7Fmax=21.766 1×41.42/1 600≈23.3 (kN),加载时将Q7Fmax均匀加载到主架体迎风面所有节点上.摇摆体承受极端风载荷Q7Mmax=34.958 6×41.42×10.2/1 600≈381.97 (kN·m),分析时将Q7Mmax以力偶的形式加载到主架体的主吊挂板处.即Q7max=Q7Fmax+Q7Mmax.

(5) 地震载荷T.海盗船主架体高度为17 m,远远小于40 m,因此可以采用底部剪力法分析地震水平影响力.根据公式

FEk=α1Geq.

式中:FEk为结构总水平地震作用标准值;α1为相应于结构基本自震周期水平的地震影响系数值,8级烈度的α1=0.16;Geq为结构等效总重力载荷.

则主架体总水平地震作用标准值

本项目的建设不仅对项目区内荒地等进行整理，恢复其生态功能，形成人工湿地，使项目具有生态、水质改善、环境、经济等多种效益。在项目实施后，对改善郊区生态环境及浊漳河河道水质有极大的促进作用。

摇摆体水平地震作用将对主架体产生一个力矩

式中:FEK2为摇摆体总水平地震作用标准值;Geq2为摇摆体等效总重力.

因此,地震载荷T=Fi,Fi为质点i水平地震作用标准值.即根据底部剪力法将结构总水平作用标准值FEK分配至主架体各节点,以Fi的形式施加在各节点处,同时施加MT(主吊挂板处施加力偶)[4].

(6) 最大竖向载荷Nmax.最大竖向载荷Nmax就是向心力最大时的载荷,计算过程如下:根据能量守恒定律可推导出最大速度的平方值,则

(7) 最大倾覆载荷Fmax.最大倾覆指的是当船摆动到一定角度,水平惯性力最大时,使得整个主结构发生水平方向的倾覆.而最大水平惯性力由船体摆动到α角度时向心力的水平分力和沿主拉杆方向抗力的水平分力组成.计算如下:根据能量守恒定律可知向心力F向=m·v2/R,则船体摆动到α角度时向心力的水平分力

沿主拉杆方向抗力的水平分力

F水平2=mg·cosα·sinα.

因此:Fmax=F水平1+F水平2.

[2(cosα·sinα-0.5sinα)+cosα·sinα]′=0.

解得cosα=0.795 333 6,α=arccosα=37.313°.此时Fmax=108.136 kN,最大水平加速度amax=Fmax/m=108 136N/13 131.27 kg=8.235 m·s-2.整个运动过程在Soildworks中仿真,得到最大水平力和最大水平加速度,如3图所示.

图3 水平作用力和水平加速度随时间的变化

因此,最大倾覆载荷就是当水平惯性力最大时的载荷,即Fmax=108.136 kN.

2.2 载荷工况

根据相关设计技术资料和参数,严格按照《游乐设施安全规范》[5]要求进行计算,采用的载荷工况见表1.

表1 载荷工况Table 1 Load condition

3 结构模型的建立

采用Soildworks建模法建立结构模型,Soildworks建模有很多的数据接口模式,适合有限元ANSYS软件的就是IGE格式,为了使模型报错最少化,可以采用2次传导的方法,首先利用XT传导,消除了Soildworks中所有切割线等ANSYS不识别的特征,产生了纯面结构;再利用XT格式转化成纯面线的IGE格式;最后导入ANSYS中.在ANSYS打开模型后,首先进行缩放,将毫米单位转化成米单位.进一步对模型进行节点和关键点合并,使模型产生公共节点、公共线.

整体模型的建立采用Beem188梁单元、shell181单元.取钢材弹性模量E=2.06×1011N·m-2,钢材密度7 850kg·m-3,泊松比0.3,对模型进行网格划分,形成ANSYS有限元模型如图4所示.

图4主架体有限元模型
Fig.4 The finite element model of the main frame

4 载荷施加

4.1 最大竖向载荷组合工况

图5 主架体最大竖向力载荷组合工况计算结果Fig.5 The calculation result of the maximum vertical force load of the main frame

4.2 最大倾覆载荷组合工况

4.3 极端风载荷工况

图6 主架体最大倾覆力载荷组合工况计算结果Fig.6 The calculation result of the maximum overturning load of the main frame

图7 主架体极端风载荷工况计算结果Fig.7 The calculation result of the extreme wind load of the main frame

4.4 地震载荷工况

载荷组合为Gk+T.主吊挂板处施加力偶MT.主框架的底部剪力FEK=52.3 kN.

经Tekla Structures模型查询信息,剪力分布见表2.

表2 底部剪力分布表Table 2 Bottom shear distribution table

图8 主架体地震载荷工况计算结果Fig.8 Calculation results of seismic load of main frame

5 结构优化

在确保安全的前提下,为了使设备更加轻量化、经济化.我们需要对设备进行优化.优化方案为将船中10 mm厚的板材全部换成8 mm厚的板材,将200 mm×100 mm×8 mm的主拉杆矩形管全部改成160 mm×80 mm×8 mm的矩形管,主架体4个立柱φ508 mm×15 mm管全部改成外径457.2 mm、壁厚12 mm管子.

将船体中所有10 mm厚的板材全部换成8 mm厚的板材,船体满载(最大应力时的工况)时应力为99.7 MPa,如图9所示,安全系数为370/99.7=3.7>3.5,符合要求,但将8 mm厚的板材改成6 mm厚的板材时,安全系数达不到要求,因此不能再对板材进行优化.

图9优化后船体满载应力云图
Fig.9 Full load stress cloud map after optimization

将200 mm×100 mm×8 mm的主拉杆矩形管全部改成160 mm×80 mm×8 mm的矩形管,船体满载时的应力计算结果为103 MPa,如图10所示, 安全系数为370/103=3.59>3.5,符合要求.这已经是极端风载作用下(最大应力时的工况)的结果,也是主拉杆最危险的工况,因此不能再对主拉杆进行优化.

图10优化后主拉杆应力云图

Fig.10 The stress cloud chart of the optimized main rod after optimization

将主架体4个立柱全部改成外径457.2 mm、壁厚12 mm管子,船体满载时的应力计算结果为175 MPa,安全系数为235/175=1.34>1,符合要求.应力云图如图11所示.

图11优化后主架体应力云图
Fig.11 Optimized post frame stress cloud map

对优化后的主架体整体进行稳定性分析,确保在结构优化后主架体不发生屈曲[7].为了准确计算屈曲临界力,采用ANSYS有限元eigenvalue buckling求解器,通过屈曲模态扩展方法求解,主架体管截面特性与屈曲临界力见图12.

图12 主架体管截面特性与屈曲临界力图

优化结构后提取主架体管最大轴力(地震时发生)为30.7<σcr=屈曲临界力/截面面积=0.917 67/0.008 505≈107.9 (MPa),因此主架体稳定.

通过优化后计算可知,主架体整体稳定,强度满足要求.最终确定优化方案为将船中10 mm厚的板材全部换成8 mm厚的板材、将200 mm×100 mm×8 mm的主拉杆矩形管全部改成160 mm×80 mm×8 mm的矩形管,主架体4个立柱φ508 mm×15 mm管全部改成外径457.2 mm、壁厚12 mm管子,并投入生产应用.

6 结 论

(1) 采用有限元ANSYS软件对海盗船主结构进行计算分析可知,主结构均满足安全系数要求,确保了设备的安全运行.

(2) 通过对海盗船主结构进行优化可知,优化后的主结构在各个工况下均能达到最优的安全系数,使结构更加轻量化,减少了材料消耗,并取得了较大的经济效益.