FY36搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

FY39搖擺傘（B級(jí)）

設(shè)計(jì)計(jì)算書

作者：趙九峰

趙九峰：河南平頂山人，09年大連理工大學(xué)工程機(jī)械碩士畢業(yè)，CAD/CAE工程

師，仿真論壇AnsysWB版主；主要從事游樂(lè)設(shè)備設(shè)計(jì)、計(jì)算、有限

元仿真，3D建模、CAD制圖、撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書、申報(bào)鑒定文件，

并對(duì)游樂(lè)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、申報(bào)鑒定流程提供指導(dǎo)。

1.掌握三維Solidworks的應(yīng)用技能，熟練應(yīng)用Solidworks的鍍金模塊、焊件模

塊和工程圖模塊；

2.熟練使用ANSYS、Workbench等做機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)計(jì)算和仿真分析；

3.掌握LS_DYNA的沖擊分析和ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析；

4.熟練使用ICEM前處理軟件，勾畫出任意結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格。

游樂(lè)設(shè)備CAD/CAE工作室

2016年10月

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

目錄

第一部分總論

1概述.......................................................................1

2工作依據(jù)..................................................................2

3主要工作內(nèi)容..............................................................3

4計(jì)算模型簡(jiǎn)化說(shuō)明與材料參數(shù)................................................3

5搖擺傘載荷特性分析........................................................5

第二部分整體剛體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

6剛體動(dòng)力學(xué)分析...........................................................11

6.1概述.....................................................................11

6.2幾何模型.................................................................12

6.3載荷與約束...............................................................13

6.4剛體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果......................................................15

6.4.1滿載+風(fēng)載..............................................................16

6.4.2工況2：偏載+風(fēng)載......................................................19

6.5小結(jié)....................................................................20

第三部分主體部件分析計(jì)算

7主機(jī)架(FY39.01)...........................................................22

8下旋轉(zhuǎn)部件(FY39.02).....................................................37

9上旋轉(zhuǎn)部件(FY39.04).....................................................57

10吊架部件(FY39.05)....................................................82

11主體分析結(jié)果匯總........................................................94

第四部分座椅分析計(jì)算

12乘人加速度與安全帶驗(yàn)算...................................................99

13座椅固定吊板(FY39.0501.10)和座椅活動(dòng)吊板(FY39.0503.2)...........100

14吊環(huán)、錨鏈和二次保險(xiǎn)鋼絲繩的計(jì)算........................................107

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

15壓杠骨架(FY39.0503.3)................................................110

16座椅安全桿(FY39.0503.5).............................................116

17座椅分析結(jié)果匯總.......................................................119

第五部分其它類型分析

18液壓提升系統(tǒng)的校核計(jì)算(FY39.06).....................................121

19搖擺傘的模態(tài)分析.......................................................123

20特殊工況有限元分析(風(fēng)載、雪載和地震載荷)...............................126

21防止傾覆和防止側(cè)滑計(jì)算..................................................134

22螺栓的計(jì)算..............................................................137

23回轉(zhuǎn)支承的計(jì)算..........................................................142

24電機(jī)、齒輪、減速機(jī)和液力耦合器的計(jì)算...................................147

25帶傳動(dòng)的計(jì)算............................................................155

26軸承的計(jì)算..............................................................157

27基礎(chǔ)受力和基礎(chǔ)地腳螺栓的計(jì)算............................................158

28結(jié)論.....................................................................161

附表1：搖擺傘結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一覽表..............................................163

附表2：搖擺傘其他類型分析結(jié)果一覽表.........................................167

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

第一部分總論

1概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，游樂(lè)設(shè)施在人們?nèi)粘Ｉ畹阮I(lǐng)域得到越來(lái)越廣

泛的應(yīng)用，搖擺傘屬飛行塔類大型游藝機(jī)，懸掛式座椅邊旋轉(zhuǎn)邊升降，是目前

非常流行的游樂(lè)項(xiàng)目。

搖擺傘的工作程序如下：油泵電機(jī)啟動(dòng)油缸升起，主回轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，上部

回轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，大盤開始旋轉(zhuǎn)，大盤升到頂部開始搖頭一定時(shí)間后，油缸下降,

大盤也開始下降，座椅部分繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)部分停止，油缸下降，大油泵停止,

小油泵停止，一個(gè)工作周期完成。

搖擺傘的特點(diǎn)：飛椅在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中升降，塔身反方向旋轉(zhuǎn)，上升一定高度

后座椅隨大盤傾斜旋轉(zhuǎn)，時(shí)而上升時(shí)而下沖，猶如燕子在空中穿梭，讓游客在

動(dòng)與靜中體驗(yàn)驚險(xiǎn)與樂(lè)趣，展現(xiàn)在游客面前的是集趣味與享受為一體的歡樂(lè)氣

氛。此時(shí)乘坐在座椅上的游客，充滿刺激、浪漫的感覺，猶如在空中飄蕩、飛

翔。該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，是游客向往的娛樂(lè)項(xiàng)

目。搖擺傘的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l-lo

圖1-1搖擺傘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

第1頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

搖擺傘的基本信息如表1T所示。

表1T搖擺傘的基本信息

設(shè)備名稱搖擺傘

主體材質(zhì)Q235B

設(shè)計(jì)/制造單位九峰游樂(lè)設(shè)備CAD/CAE工作室

運(yùn)行高度

設(shè)備總高

乘坐人數(shù)(成人)

技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動(dòng)功率

輔助功率

水平旋轉(zhuǎn)速度

轉(zhuǎn)盤傾角

頂升油缸行程

2工作依據(jù)

(1)“搖擺傘”設(shè)計(jì)圖紙(圖紙編號(hào)：FY39)；

(2)GB8408-2008《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》；

(3)GB/T18161-2008《飛行塔類游藝機(jī)通用技術(shù)條件》；

(4)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》；

(5)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》；

(6)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》；

(7)GB3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》；

(8)JB2300-2011《回轉(zhuǎn)支承》；

(9)GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》；

(10)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》化學(xué)工業(yè)出版社；

(11)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中國(guó)鐵道出版社，張質(zhì)文主編；

(12)《工程力學(xué)》高等教育出版社，范欽珊主編，第二版；

(13)《機(jī)械設(shè)計(jì)》高等教育出版社，濮良貴主編，第二版；

(14)《機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社，徐格寧主編，第二版;

第2頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

（15）《起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)》上海交通大學(xué)出版社，董達(dá)善主編。

3主要工作內(nèi)容

（1）建立搖擺傘主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件的有限元數(shù)

值分析模型；

（2）計(jì)算搖擺傘主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件在滿載作用

下的應(yīng)力；

（3）計(jì)算搖擺傘主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件在偏載作用

下的應(yīng)力；

（4）關(guān)鍵部位（銷軸、關(guān)鍵焊縫）的強(qiáng)度分析及疲勞校核；

（5）座椅組件的強(qiáng)度分析及疲勞校核；

（6）搖擺傘主體的模態(tài)分析；

（7）搖擺傘主機(jī)架和搖頭立柱部件的屈曲分析；

（8）特殊載荷（風(fēng)載、地震載荷和雪載荷）下的分析；

（9）防止傾覆和防止側(cè)滑的計(jì)算；

（10）電機(jī)、減速器、螺栓、回轉(zhuǎn)支承、齒輪和軸承等部件的驗(yàn)算。

4計(jì)算模型簡(jiǎn)化說(shuō)明與材料參數(shù)

4.1計(jì)算模型簡(jiǎn)化說(shuō)明

搖擺傘主體分析采用板殼單元的力學(xué)模型。電機(jī)、齒輪、座椅、螺栓、筋

板等附屬質(zhì)量產(chǎn)生的載荷，施加在搖擺傘的整個(gè)鋼架結(jié)構(gòu)上，模擬這些附屬構(gòu)

件對(duì)整個(gè)搖擺傘主體鋼架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。局部部件分析，考慮模型細(xì)節(jié)（筋

板、焊縫等），利用經(jīng)典力學(xué)公式，進(jìn)行局部分析的理論核算。

4.2搖擺傘的材料參數(shù)

搖擺傘部件在Solidworks軟件中進(jìn)行精細(xì)化建模并提取質(zhì)量，如表4-1o

第3頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

表4-1搖擺傘主要部件及質(zhì)量

序號(hào)部件名稱圖號(hào)數(shù)量材料單重(Kg)總重(Kg)

主機(jī)架部件機(jī)架面板

1

FY39.01機(jī)架底板

下旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)組件

轉(zhuǎn)筒固定架組件

下旋轉(zhuǎn)部件

2內(nèi)轉(zhuǎn)筒支架組件

FY39.02

外轉(zhuǎn)筒支架組件

下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤組件

下導(dǎo)向輪組件

上旋轉(zhuǎn)部件上導(dǎo)向輪組件

3

FY39.04上旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤組件

上旋轉(zhuǎn)頂升盤

吊架部件主架組件

4

FY39.05剪刀叉架

5座椅(包含錨鏈、鋼絲繩等)

主體結(jié)構(gòu)材料:Q235B鋼(叫=375MPa)；銷軸的材料為:45#鋼(ok=600MPa)；

螺栓采用高強(qiáng)螺栓(％=800MPa)。材料力學(xué)參量為：彈性模量E=2X10MPa,

泊松比V=0.3。

由JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的表CT,Q235B、45#鋼

和高強(qiáng)螺栓的疲勞特性參數(shù)如表4-2所示。

第4頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf_2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

表4-2主要材料疲勞曲線數(shù)據(jù)

序號(hào)1234567891011

循環(huán)次數(shù)（N）1020501002002E31E42E41E52E51E6

應(yīng)Q235B4000282818971414106944126221413811486.2

力

45#鋼

幅

高強(qiáng)螺栓

(MPa)

S-N曲線如圖4~1所不:

?Q235B

-?-45#

—螺栓材料

1.5

0.511.522.533.544.555.56

循環(huán)次數(shù)(log)[N]

圖4-1主要材料的S-N曲線

5搖擺傘載荷特性分析

5.1工作載荷

搖擺傘分為上下反向旋轉(zhuǎn)，合成轉(zhuǎn)速0.0r/min,上部旋轉(zhuǎn)支撐件在有滑道

的立柱中上下運(yùn)動(dòng)，立柱上部0.0m處圓滑過(guò)渡傾斜00。。如載荷示意圖1所

zKo

第5頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

圖5-1載荷示意圖

座椅和乘人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，始終受到重力作用，受到的重力大小為：

（5-1）

其中：g一標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，9.8m/s2；

g一座椅組件質(zhì)量（表4-1,P3）,11kg；

m,一乘人質(zhì)量，按照700N/人計(jì)算，加，=紅=-^-=71kgo

■9.8

搖擺傘運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，乘人和座椅一起，繞旋轉(zhuǎn)筒的中心軸線做勻速圓周運(yùn)動(dòng),

角速度的大小為（見參數(shù)表卜1,回轉(zhuǎn)速度的驗(yàn)算見第38節(jié)）：

QC

W=—r/s

60

其中下旋轉(zhuǎn)部件的角速度為13rpm,上旋轉(zhuǎn)部件的角速度為4.5rpm。

下旋轉(zhuǎn)角速度：

<S>

上旋轉(zhuǎn)角速度：----

<S>

則挑臂與座椅連接部位，承受乘人和座椅圓周運(yùn)動(dòng)的離心力：

(5-2)

其中：r一乘人與座椅質(zhì)心相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑。

第6頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

乘人和座椅在重力和座椅錨鏈的拉力共同作用下，乘人和座椅在豎直方向

處于平衡狀態(tài)，根據(jù)三角形邊角關(guān)系，重力G和離心力F的合力：

其中：0一重力G與離心力P的夾角，值隨擺動(dòng)位置變化。

乘人與座椅質(zhì)心相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑：

（5-4）

其中：L—固定吊板與吊架主架連接部位（即吊掛軸）到回轉(zhuǎn)中心的距離，

分別為4.5m、3.7m和2.9m；

I一座椅錨鏈的有效長(zhǎng)度，值為3m。

a一合力F：與離心力F的夾角，如圖5T所示。

根據(jù)三角形邊角關(guān)系：

cg=a3Jjai----^7"——；（5-5）

2^

由公式（5-3）可知，合力F：與夾角D有關(guān)，當(dāng)飛椅擺動(dòng)到最低端時(shí)，。最

小，此時(shí)合力F：取最大值，由幾何關(guān)系知（見參數(shù)表1T可知，轉(zhuǎn)盤傾角為

15°)：

(5-6)

則合力F.取最大值:

(5-7)

聯(lián)立以上關(guān)系式可得，當(dāng)飛椅擺動(dòng)到最低端時(shí)，解得:

1=4.5m時(shí)：a=46°,Fjmax=1028N；

L=3.7m時(shí)：a=50°,F;max=984N；

L=2.9m時(shí)：a=54°，F(xiàn);max=943N；

搖擺傘屬于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備。最大的旋轉(zhuǎn)速度（線速度）為最低點(diǎn)時(shí)最外側(cè)座椅

的瞬時(shí)速度:

第7頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

(5-8)

=0.89X(4.5+3Xcos46°)=5.9m/s

由《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》釋義第4.2.3.2節(jié)：同類別的游樂(lè)設(shè)施采用同一

沖擊系數(shù)，顯然是不合理的，因此，以速度大小確定沖擊系數(shù)是比較科學(xué)的；

有的游樂(lè)設(shè)施其乘人部分有公轉(zhuǎn)也有自轉(zhuǎn)，還可能同時(shí)有升降，我們稱之為組

合運(yùn)動(dòng)，其速度的取值應(yīng)取幾種運(yùn)動(dòng)合成速度的最大值。

根據(jù)GB8408-2008《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》中表1：搖擺傘的速度最大值大于

5m/s,同時(shí)小于10m/s,通過(guò)插值，可取搖擺傘的沖擊系數(shù)為K=1.34,保守計(jì)

算，取K=1.4。

設(shè)備的自重為永久載荷(其中乘人用質(zhì)量單元模擬，等效為永久載荷)，

在沖擊載荷作用下，等效的重力加速度為：

笈=然：=9.8X1.4=13.7m/s?(5-9)

5.2風(fēng)載荷

根據(jù)GB8408-2008《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》中4.2.2.7節(jié)：風(fēng)載荷分為工作

狀態(tài)載荷和非工作狀態(tài)載荷；游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)，按最大運(yùn)行風(fēng)速15m/s計(jì)算工

作狀態(tài)下的風(fēng)載荷；在靜止?fàn)顟B(tài)應(yīng)能承受當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)提供的風(fēng)載荷。

由《起重機(jī)機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)》：計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，認(rèn)為它是一種任意方向作用

的水平力，工作狀態(tài)風(fēng)載荷時(shí)正常工作情況下所能承受的最大計(jì)算風(fēng)載荷，非

工作狀態(tài)下風(fēng)載荷是非正常工作情況下受到的最大計(jì)算風(fēng)載荷。工作狀態(tài)下的

風(fēng)壓不考慮高度的變化，非工作狀態(tài)下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，當(dāng)高度W10m時(shí),

取L

根據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載:

(5-10)

其中：F“一風(fēng)載荷計(jì)算值；

C—風(fēng)力系數(shù)，搖擺傘為箱型截面構(gòu)件，取1.75；

第8頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

K一風(fēng)壓高度變化系數(shù)，搖擺傘的運(yùn)行總高度9.3m,工作狀態(tài)風(fēng)

壓不考慮高度變化，非工作狀態(tài)下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，當(dāng)高

度W10m時(shí)，取1；綜上，搖擺傘的高度變化系數(shù)為1；

p—基本風(fēng)壓值。工作狀態(tài)下，風(fēng)速為15m/s,對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為

140N/D?（標(biāo)準(zhǔn)狀況下，風(fēng)壓”=宣=受=140N/n?）；非工作

1.61.6

狀態(tài)下，根據(jù)GB50009《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》，中國(guó)沿海地區(qū)（包

括海南島）50年一遇的風(fēng)壓值為500N/m?；

A一垂直于風(fēng)向的有效迎風(fēng)面積,10.7X2.56+3X4.7=41.5m%

以上數(shù)據(jù)代入公式（5-7）求的：

工作狀態(tài)下的風(fēng)載：々=0^4=1.75X1X140X41.5=10168N；

非工作狀態(tài)下的風(fēng)載：^=C?5D4=1.75X1X500X41.5=36313No

風(fēng)載作為外載荷，施加在搖擺傘最不利的方向（由于是對(duì)稱旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，施

加在Z向）。

5.3雪載荷和溫度載荷

由《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》：游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)，在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)能承受雪載

荷，積雪厚度不超過(guò)80mm時(shí)，施加在游樂(lè)設(shè)施總體表面的雪載荷，按照

0.2KN/m2的雪壓進(jìn)行計(jì)算。釋義：該條主要針對(duì)積雪面積比較大的游樂(lè)設(shè)施。

（5-1D

其中：匕一雪壓，按照0.2KN/m2計(jì)算；

八一頂棚的投影面積，=30^=90m?。

44

以上數(shù)據(jù)代入公式（5-7）求得雪載：^=7^4=0.2X90=18KN=18000No

游樂(lè)設(shè)備一般情況下不考慮溫度載荷，由《起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)》：對(duì)跨度超

過(guò)30m的超靜定結(jié)構(gòu)，則應(yīng)當(dāng)考慮因溫度變化引起的結(jié)構(gòu)件膨脹或收縮受到約

束所產(chǎn)生的載荷。搖擺傘的底座寬度大約2m,故不需要考慮溫度載荷。

地震載荷分析，見21節(jié)。

第9頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

5.4分析工況

搖擺傘運(yùn)行過(guò)程中，整體主要結(jié)構(gòu)受到離心力、重力、沖擊載荷等作用，需

分不同的工況，分部件進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

由搖擺傘結(jié)構(gòu)可知，考慮座椅滿載和偏載對(duì)部件的影響。分為2種工況進(jìn)

行校核：

工況1：滿載時(shí)，計(jì)算搖擺傘主機(jī)架部件、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件主體

及局部的受力狀況；

工況2：偏載時(shí)，計(jì)算搖擺傘主機(jī)架部件、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件主體

及局部的受力狀況。

座椅，僅在滿載（即有乘人）并運(yùn)行到最低點(diǎn)時(shí)，受到載荷最大，因此僅

對(duì)座椅滿載時(shí)，擺動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)進(jìn)行校核計(jì)算。

建立有限元模型，施加載荷約束，在高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)

設(shè)備的運(yùn)行特性，搖擺傘主體分為主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件、吊架部

件、座椅分析和其它類型分析等。

第10頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

第二部分整體剛體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

6剛體動(dòng)力學(xué)分析

6.1概述

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析通過(guò)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(wèn)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。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。

分析的最終目的：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，以作為設(shè)計(jì)分析的依據(jù)。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，對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，如對(duì)軸

進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)軸承進(jìn)行壽命計(jì)算等。并可根據(jù)計(jì)算結(jié)果反復(fù)地修改零件的

結(jié)構(gòu)尺寸，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

搖擺傘是常見的游樂(lè)設(shè)施，需要考慮兩類載荷的作用：動(dòng)力載荷和靜力載

荷。搖擺傘受到的載荷并非一成不變的靜載荷，而是隨著時(shí)間不斷變化的動(dòng)載

荷，需進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果，分析、計(jì)算出作用在零件上的

載荷，以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性。由前面分析可知，分為2種工

況：

1.滿載工況；

2.偏載工況。

整體結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼。材料力學(xué)參量為：材料密度為p=7.85t/m。

滿載時(shí)：由5.1節(jié)可知，乘客的質(zhì)量為71kg,用質(zhì)量單元，附加到36個(gè)

座椅上；

偏載時(shí)：用質(zhì)量單元，附加到其中一側(cè)的18個(gè)座椅上。

第11頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

6.2幾何模型

使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYSWorkbenchEnvironment（AWE）17.0多物理場(chǎng)

協(xié)同CAE仿真軟件，對(duì)搖擺傘的整體進(jìn)行建模，分別建立主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件、

上旋轉(zhuǎn)部件、吊架部件和座椅的實(shí)體模型，并在軟件中進(jìn)行裝配，如圖6-1所

不O

（1）搖擺傘整體結(jié)構(gòu)（2）主機(jī)架

（3）下旋轉(zhuǎn)部件（4）上旋轉(zhuǎn)部件

第12頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

(5)吊架部件(6)座椅

圖6-1搖擺傘整體裝配模型

6.3載荷與約束

由第5節(jié)可知，每個(gè)座位由兩個(gè)乘人，質(zhì)量為71kg,分別按照滿載、偏載,

利用Ansys的質(zhì)量單元(PointMass),附加到座椅的相應(yīng)位置，模擬2種工況

下?lián)u擺傘的承載能力。

主機(jī)架的底板固定在地方面，因此在立柱底板與地面之間，施加固定

(Fixed)約束，模擬底板與地面之間的緊固連接。

在電機(jī)、小齒輪和回轉(zhuǎn)支承的作用下，下旋轉(zhuǎn)部件繞主機(jī)架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，

上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件繞下旋轉(zhuǎn)部件中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿?fù)u頭立柱上下移動(dòng)，

在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的約束部位，施加旋轉(zhuǎn)幅(Revolute)?

座椅錨鏈通過(guò)軸與關(guān)節(jié)軸承，與吊架掛點(diǎn)連接，連接部位施加繞側(cè)向和前

后方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，施加萬(wàn)向節(jié)幅(Universal)。

在搖擺傘穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過(guò)程中，由5.1節(jié)可知：下旋轉(zhuǎn)部件繞著主機(jī)架的中

軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為.136rad/s；上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件繞著下旋轉(zhuǎn)部件中軸線

轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為0.07rad/so在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位，施加驅(qū)動(dòng)載荷(JointLoad),

載荷類型為旋轉(zhuǎn)角速度(RotationalVelocity),驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間分別為20s,

模擬搖擺傘在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的各種參數(shù)。

搖擺傘在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，始終受到地球重力的作用，考慮L4倍沖擊載

荷作用，施加等效的重力加速度為13.7m/s2,方向?yàn)閅向。

第13頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

由5.2節(jié)可知，工作狀態(tài)下風(fēng)載為10168N,施加在吊架的水平方向。

載荷與約束如圖6-2所示。

B:RigidDynamics

TransientANSYS

Time:60.sR17.0

lttmt：i0of41Indiuted

20I6W1711:03

國(guó)Joint-RotationalVelocity:0.rad/s

■Joint-RoUbon:0.,

因b1nt-RotationalVelocity:0.r?d/s

[~D]Acceleration:HJm/?J

.PointMass

圜PointMats2

圈Point岫”3IL

MPointMASS4

胭PoineMass5

■PoineMd”6

QMQ4400帆

2M0

(1)整體的載荷與約束(2)乘人質(zhì)量單元

0.000tpoo(<n)

0.500

(3)底部固定約束(4)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)

第14頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

(5)重力(6)風(fēng)載

圖6-2搖擺傘載荷與約束

6.4剛體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)17.0中的剛體

動(dòng)力學(xué)分析模塊RigidDynamics,對(duì)搖擺傘進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

為了模擬搖擺傘的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分2種工況對(duì)搖擺傘進(jìn)行分析。設(shè)定分析

時(shí)間為80s。

工況1：滿載+工作風(fēng)載，搖擺傘的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；

工況2：偏載+工作風(fēng)載，搖擺傘的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

第15頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

6.4.1工況1：滿載+工作風(fēng)載

在滿載+工作風(fēng)載工況下，搖擺傘的各運(yùn)行部件啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)，整個(gè)

運(yùn)行過(guò)程中，各部位的約束反力，如圖6-3所示。箭頭表示約束部受的反作用

力。

(1)底架固定部位

(3)上旋轉(zhuǎn)部位(4)近端座椅連接部位

第16頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

（5）遠(yuǎn)端座椅連接部位（6）橫梁座椅連接部位

圖6-3工況1運(yùn)行部位反作用力圖

搖擺傘運(yùn)行過(guò)程中，乘人受到下旋轉(zhuǎn)、上旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并且上旋轉(zhuǎn)軸

和下旋轉(zhuǎn)軸的夾角為15°,乘人的速度時(shí)刻在變化。通過(guò)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)

分析，提取搖擺傘的最大速度曲線，如圖6-4所示。

6043.6

5CKX).

圖6-4搖擺傘最大速度曲線圖

由圖6-4可知，搖擺傘的最大速度為Om/s,與理論計(jì)算的最大速度0.9m/s

（P8）的誤差很?。ㄐ∮?%）,表明了仿真過(guò)程、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的正確性，同時(shí)也

表明的1.4倍的動(dòng)載沖擊系數(shù)的合理性。

第17頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

搖擺傘在運(yùn)行過(guò)程中，主機(jī)架底部的反作用力，主要為設(shè)備自重產(chǎn)生，滿

載時(shí)設(shè)備處于對(duì)稱平衡狀態(tài)（風(fēng)載影響很小），故Z方向的反作用力很大；同

理，上部件、下旋轉(zhuǎn)部件和吊架的反作用力，如圖6-5所示。

tzs2S.17JSO62575.8S

（1）主機(jī)架固定約束反力（2）主機(jī)架固定約束反力矩

（3）下旋轉(zhuǎn)約束反力（4）下旋轉(zhuǎn)約束反力矩

1【

之

（5）上旋轉(zhuǎn)約束反力（6）上旋轉(zhuǎn)約束反力矩

圖6-5工況1反作用力曲線圖

在滿載+風(fēng)載的工況下，對(duì)搖擺傘進(jìn)了剛體動(dòng)力學(xué)分析，提取各個(gè)相對(duì)運(yùn)

動(dòng)部件之間的約束反力和約束反力矩（其中Z軸向上）。

第18頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

搖擺傘運(yùn)行過(guò)程中，由于支反力和反力矩隨時(shí)間不斷變化，所以找到結(jié)構(gòu)

最不利的時(shí)間點(diǎn)很難（最大載荷時(shí)間點(diǎn)不一定為結(jié)構(gòu)承載最不利時(shí)間點(diǎn)，結(jié)構(gòu)

承載最不利的工況既與力的大小有關(guān)，也和力的方向有關(guān)，力矩同樣道理，故

提取整個(gè)運(yùn)行期間，支反力和支反力矩沿各軸各個(gè)分量的最大值，以保證涵蓋

結(jié)構(gòu)的最不利工況，下同），如表6T。

表6-1工況1支反力與支反力矩匯總

約束位置力學(xué)參數(shù)類型水平合力水平合力矩

FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N*m)MZ(N?m)

汨+哥（N）河+Mgm)

主機(jī)架

下旋轉(zhuǎn)

上旋轉(zhuǎn)

6.4.2工況2：偏載+工作風(fēng)載

偏載+工作風(fēng)載工況下，搖擺傘的各運(yùn)行部件啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)，整個(gè)運(yùn)行

過(guò)程中，各部位的約束反力，如圖6-6所示。

（1）主機(jī)架固定約束反力（2）主機(jī)架固定約束反力矩

第19頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

（5）上旋轉(zhuǎn)約束反力（6）上旋轉(zhuǎn)約束反力矩

圖6-6工況2反作用力曲線圖

偏載十工作風(fēng)載的工況下，對(duì)搖擺傘進(jìn)了剛體動(dòng)力學(xué)分析，提取各個(gè)相對(duì)

運(yùn)動(dòng)部件之間的約束反力和約束反力矩，如表6-2。

表6-2工況2支反力與支反力矩匯總

約束位置力學(xué)參數(shù)類型水平合力水平合力矩

FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N-m)MZ(N?m)

收+E⑻《憂+怵（N?m）

主機(jī)架

下旋轉(zhuǎn)

上旋轉(zhuǎn)

6.5小結(jié)

本節(jié)中，分別對(duì)搖擺傘在滿載+風(fēng)載、2/3偏載+風(fēng)載和1/3偏載+風(fēng)載工況

下，進(jìn)行了剛體動(dòng)力學(xué)的分析，并得到在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中不同工況下，主機(jī)架

底部的反作用力和反作用力矩;下旋轉(zhuǎn)部件對(duì)主機(jī)架的反作用力和反作用力矩;

上旋轉(zhuǎn)部件對(duì)下旋轉(zhuǎn)部件的反作用力和反作用力矩；吊架部件對(duì)下旋轉(zhuǎn)部件的

反作用力和反作用力矩；

動(dòng)力學(xué)分析，能夠更加全面了解搖擺傘的動(dòng)力學(xué)性能，并為下面的靜力學(xué)

分析，提供載荷數(shù)據(jù)，更精確的計(jì)算搖擺傘的應(yīng)力強(qiáng)度、安全系數(shù)、疲勞等產(chǎn)

品數(shù)據(jù)。

分析結(jié)果表明：

（1）滿載+工作風(fēng)載工況下，主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件受到的豎直反作用力最

大；

第20頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

（2）偏載+工作風(fēng)載工況下，主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件受到的水平反作用力最

大；

（3）主機(jī)架、下旋轉(zhuǎn)部件受到制動(dòng)力矩比驅(qū)動(dòng)力矩大；

（4）兩種工況不能相互覆蓋，因此可分別對(duì)兩種工況下，搖擺傘各部件

進(jìn)行有限元計(jì)算。

第21頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅(B級(jí))設(shè)計(jì)計(jì)算書

第三部分主體部件分析計(jì)算

7主機(jī)架(FY39.01)

7.1有限元模型

使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)17.0多物理場(chǎng)

協(xié)同CAE仿真軟件，對(duì)搖擺傘主機(jī)架部件建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

玻璃鋼外形，油缸頂柱、頂升盤立柱等轉(zhuǎn)化為質(zhì)量載荷，附加在主機(jī)架上。

采用8節(jié)點(diǎn)的殼單元(SHELL181)和2節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧?BEAM188),并使用四邊

形為主的網(wǎng)格劃分，如圖7-1所示。

ANSYS

R17.0

(2)機(jī)架面板網(wǎng)格

6840(mm)

(3)機(jī)架底板網(wǎng)格(4)機(jī)架網(wǎng)格

圖7-1搖擺傘主機(jī)架有限元模型

第22頁(yè)共169頁(yè)

WX:zjf2002TEL/p>

FY39搖頭飛椅（B級(jí)）設(shè)計(jì)計(jì)算書

7.2載荷與約束

由第6節(jié)剛體動(dòng)力學(xué)分析可知，搖擺傘分為2種工況進(jìn)行分析，并提取下

旋轉(zhuǎn)部件對(duì)主架的反作用力和反作用力矩（Z軸為懸臂拉桿銷，豎直方向），

匯總?cè)绫?-1所示：

表7-1下旋轉(zhuǎn)部件對(duì)主機(jī)架支反力與支反力矩

力學(xué)參數(shù)類型水平合力水平合力矩

工況

EX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N,m)MZ(N,m)正+E⑹小/+設(shè)（N?m）

滿載+工作風(fēng)載

偏載+工作風(fēng)載

分2種工況，主機(jī)架通過(guò)回轉(zhuǎn)支承連接下旋轉(zhuǎn)部件，因此在主機(jī)架機(jī)架面

板上，施加作用力和作用力矩。載荷按照表7T的2種工況施加，如圖7-2。

主機(jī)架底部與地面固定連接，連接部位施加固定約束，如圖7-2（3）；整

體施加等效重力加速度13.7m/d,如圖7-2（4）。

B:StaticStructuralB:SUtkStructural

Fo，ce