淺析有限元法在水滑梯結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用

盧東梅

摘 要：目前，休閑娛樂業(yè)中悄然興起了一些戲水項目。在這些戲水項目中，滑梯是水上游樂設(shè)施中最常見的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要，傳統(tǒng)的力學(xué)分析已經(jīng)滿足不了對滑梯結(jié)構(gòu)的全面分析。因此，在結(jié)構(gòu)分析過程中引入了有限元法。就有限元法在水滑梯結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用進(jìn)行了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：有限元法；滑梯結(jié)構(gòu)分析；水滑梯；Ansys

中圖分類號：O241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.079

文章編號：2095-6835（2015）15-0079-02

有限元分析是利用與數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬的，是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解的方法。水滑梯的軌跡、造型是不規(guī)則的，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和組合荷載分析相當(dāng)復(fù)雜。保證滑梯結(jié)構(gòu)在各種荷載工況的作用下的安全是至關(guān)重要的，單單依靠傳統(tǒng)的工程力學(xué)、材料力學(xué)計算的偏差相當(dāng)大，且很多時候會出現(xiàn)無法套用理論的情況。因此，在滑梯結(jié)構(gòu)分析時引入了有限元法分析。

1 有限元單元法

目前，流行的CAE分析軟件主要有Nastran、Marc和Cosmos等。本公司使用的是Ansys。

2 水滑梯結(jié)構(gòu)分析的特點

水滑梯是供游人滑行的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性非常重要。其屬于大型游樂設(shè)施中的水上游樂設(shè)施，屬于特種設(shè)備的范疇，等級為B級，每臺套設(shè)備均要經(jīng)過中國特種設(shè)備檢測院的檢查、檢測和驗收，出具合格證后方可使用。水滑梯大部分安裝在室外，自然環(huán)境對滑梯結(jié)構(gòu)的影響很大。因此，在滑梯設(shè)計階段，必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗傾覆性和防側(cè)滑性計算分析，達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求的安全系數(shù)，編寫正規(guī)的計算說明書，并由中國特種設(shè)備檢測院具有相應(yīng)資質(zhì)的工程師審核，出具鑒定報告后方能投產(chǎn)。首套設(shè)備必須由中國特種設(shè)備檢測院專業(yè)的、具有相應(yīng)資質(zhì)的工程師現(xiàn)場檢驗，出具型式試驗報告后方能使用和批量生產(chǎn)。

對水滑梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析時，必須考慮永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載和沖擊荷載。永久荷載在水滑梯中一般為滑梯的自重；活荷載指乘坐人本身的荷載和水荷載（流動水）；風(fēng)荷載分為工作狀態(tài)荷載和非工作狀態(tài)荷載，游樂設(shè)施的設(shè)計中按最大運行風(fēng)速15 m/s計算工作狀態(tài)的風(fēng)荷載，非工作狀態(tài)按設(shè)備安裝地50年一遇的最大風(fēng)荷載計算；雪荷載按設(shè)備安裝地50年一遇的最大風(fēng)荷載計算；計算地震載荷時，按設(shè)防烈度8度，相當(dāng)于設(shè)計基本加速度0.2 g計算；計算沖擊荷載時，游樂設(shè)施在運動過程中有可能出現(xiàn)沖擊，設(shè)計時一般無法準(zhǔn)確計算。因此，在進(jìn)行強(qiáng)度計算時，其永久荷載和活荷載必須乘以沖擊系數(shù)K.在水滑梯中根據(jù)其最大速度，選用沖擊系數(shù)相應(yīng)的沖擊系數(shù)。

因此，工作狀態(tài)時應(yīng)考慮永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、沖擊荷載；非工作狀態(tài)時應(yīng)考慮永久荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載。

3 有限元法在水滑梯結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用

水滑梯結(jié)構(gòu)包括玻璃鋼滑道、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土基礎(chǔ)三大部分。鑒于水滑梯結(jié)構(gòu)的特殊性、重要性、復(fù)雜性，在水滑梯結(jié)

構(gòu)分析上引入了有限元方法。引入后，徹底改變了傳統(tǒng)分析方法，使受力分析更精確、更全面，其主要作用為校核和優(yōu)化設(shè)計。我公司采用的軟件是Ansys，利用通用有限元法校核了多種工況下設(shè)備的強(qiáng)度。在軟件中，采取了beam單元、Shell單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似簡化，圖1為簡化后的有限元模型。

在有限元模型材料類型可以定義玻璃鋼滑道、鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)，根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，可找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式。根據(jù)滑梯結(jié)構(gòu)分析的要求，分別采用滑梯的工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)各自的荷載對滑梯的不同位置進(jìn)行加載，得出滑梯的變形和應(yīng)力值。通過材料的力學(xué)特性，可以得出各部位、零件的受力值、位移值、應(yīng)力值，并套用相應(yīng)的幾何方程和物理方程，得出受力構(gòu)件的應(yīng)力值、擾度，與相應(yīng)的標(biāo)注值對比（包括安全系數(shù)），進(jìn)而得出結(jié)論是否合格。如果不合格，則調(diào)整該部位零件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和規(guī)格。以下為已審核合格的滑梯結(jié)構(gòu)分析實例（只抽取一小部分）。

3.1 整體分析

主要校核玻璃鋼滑道和立柱強(qiáng)度，表1列出了2種材料的屬性，在有限元模型材料類型定義中體現(xiàn)。

表1 材料屬性

3.2 載荷分析

自重：滑道最大速度為16.44 m/s（能量守恒定律計算），即得沖擊系數(shù)K=2，在軟件加荷載時活載荷和永久載荷（結(jié)構(gòu)重力）應(yīng)乘以沖擊系數(shù)2.

水重：滑槽半徑r=0.4 m，滑槽水膜深度h=0.008 m，計算得水重為40 N/m。根據(jù)GB/T1 8168—2008規(guī)定，因滑道內(nèi)流動水的荷載<0.20 N/m，按0.2 kN/m的2倍均布加載。

側(cè)向風(fēng)載：運行工況為最大運行風(fēng)速V=15 m/s，基本風(fēng)壓為140 N/m2，施加于側(cè)向（最不利方向）。

乘客：單人身體滑行750 N（規(guī)范規(guī)定）。

慣性力：忽略滑行阻力，高差H=16 m，根據(jù)能量守恒，最大速度為16.44 m/s。最低點半徑約為12 m，離心加速度a=2.25 g，因此滑道受到最大載荷（疊加沖擊系數(shù)）F=1.47 kN。

加載說明：狀態(tài)1～3為固定加載，為了方便分析，用最大載荷F代替乘客滑行到不同位置的載荷，結(jié)果更為保守。

3.3 加載和分析計算

分別取5個典型位置進(jìn)行慣性力加載，以下是其中應(yīng)變最大的狀態(tài)，加載圖如圖2所示，變形圖如圖3所示，滑道應(yīng)力圖如圖4所示，立柱應(yīng)力圖如圖5所示，立柱支反力和彎矩如圖6所示，立柱支反力和彎矩數(shù)據(jù)如表2所示。

3.4 結(jié)果分析

綜上5個狀態(tài)所述，正常運行工況下最大變形量為20 mm；玻璃鋼滑道的最大應(yīng)力為23 MPa，發(fā)生在與高平臺中段連接的位置；鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為83 MPa，發(fā)生在立柱、支臂與滑道的連接位置。通過對玻璃鋼剛度、強(qiáng)度校核、鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、立柱的剛度計算校核和立柱的穩(wěn)定性計算，其結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范要求。

表2 立柱支反力和彎矩數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

有限元法適用于水滑梯中的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，成為了行之有效的工程分析手段之一。其基于水滑梯結(jié)構(gòu)的特殊性、重要性、復(fù)雜性，徹底改變了傳統(tǒng)分析方法，使受力分析更精確、更全面，更利于滑梯結(jié)構(gòu)校核和設(shè)計優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]趙興奎.有限元及軟件ANSYS簡介[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2004（03）.

〔編輯：張思楠〕