大型游樂設(shè)備主軸靜動(dòng)態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

謝永勝

摘要：本文主要以大型游樂設(shè)備為核心，對大型游樂設(shè)備的主軸靜動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行探索，希望可以為這類裝置的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：大型游樂設(shè)備 主軸靜動(dòng)態(tài)特征 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 思考

針對于大型游樂設(shè)備YGPPZ型游藝機(jī)來講，其是由長排座椅組成的，因?yàn)檫@類游戲設(shè)備需要來回復(fù)合運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)裝置可以說是YGPPZ型游藝機(jī)的重要組件，運(yùn)動(dòng)形式即為在搖臂上升階段，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與配重會(huì)一同連帶主軸和搖臂，進(jìn)而形成轉(zhuǎn)動(dòng)，而在搖臂下降階段，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與搖臂會(huì)共同帶動(dòng)主軸，然后配重轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。主軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況較為復(fù)雜，一些位置的受力相對集中，還有一些位置則受力較小，其剛度與強(qiáng)度會(huì)有一定的富余。所以，在這一背景下，需要科學(xué)且合理的對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，平衡主軸的受力情況，這對于提升使用壽命和材料利用率有著極大的作用和意義。

一、大型游樂設(shè)備主軸靜動(dòng)態(tài)特性分析

（一）回轉(zhuǎn)裝置有限元靜態(tài)特征分析

有限元法理論需要依照變分原理和加權(quán)余量法為核心，其思想即為物體離散為小單元之后，借助對每一個(gè)單元的深入分析來將結(jié)果進(jìn)行組合，以此來實(shí)現(xiàn)對對象結(jié)構(gòu)的整體分析。在過程中，通過對大型游樂設(shè)備回轉(zhuǎn)裝置主要承載位置的工況與受力以及約束條件進(jìn)行分析，可以有效判斷每一個(gè)工況的不理情況，進(jìn)而進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)的許用值范圍。針對于構(gòu)建回轉(zhuǎn)裝置有限元模型來講?？梢赃\(yùn)用ANSYS Workbench，其有諸多優(yōu)勢，如協(xié)同仿真與的項(xiàng)目管理以及雙向參數(shù)傳輸功能等等，在過程中可參考回轉(zhuǎn)裝置二維圖，然后在ANSYS Workbench DesignModeler模塊中構(gòu)建三位簡化模型，這種方式可以全面提升求解速度與求解精準(zhǔn)度，回轉(zhuǎn)裝置屬于一個(gè)裝配體，零件較多，科學(xué)且合理的合并，并適當(dāng)添加不同的接觸來更好滿足受力平衡[2]。

（二）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

借助對YGPPZ型游樂設(shè)備回旋裝置的工作狀態(tài)與主軸在不同工況下的力學(xué)情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)一些危險(xiǎn)工況與危險(xiǎn)位置。另外，在主軸操作階段，其屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)且變化的過程，需要注意的是主軸運(yùn)動(dòng)階段的受力情況較為復(fù)雜，會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變，如果主軸受到變化的影響，那么就會(huì)產(chǎn)生疲勞，甚至失效的嚴(yán)重問題。在大型游樂設(shè)備主軸運(yùn)行階段，其瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)性能會(huì)直接影響到回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的準(zhǔn)確度與運(yùn)行的安全性，同時(shí)主軸結(jié)構(gòu)與搖臂以及負(fù)載和配重對主軸增加的壓力也會(huì)直接影響到主軸瞬態(tài)動(dòng)力性能的影響。

二、大型游樂設(shè)備主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

（一）拓?fù)鋬?yōu)化理論

拓?fù)鋬?yōu)化即為在已知設(shè)計(jì)空間中探索材料的最佳分布方式，以此來保障主軸結(jié)構(gòu)在移動(dòng)位置與應(yīng)力以及應(yīng)變等約束的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)受力位置，同時(shí)還可以將外荷載傳遞到受力點(diǎn)中，確保荷載傳遞路徑是最佳的，最為的重要的是能夠使主軸結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)達(dá)到最佳。在過程中可以以主軸最小柔度為優(yōu)化目標(biāo)，然后構(gòu)建連續(xù)型拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，例如施加約束與荷載對主軸回轉(zhuǎn)裝置的重要位置與主軸運(yùn)行情況以及主軸承載能力的數(shù)學(xué)模型表述[3]。

（二）主軸拓?fù)鋬?yōu)化

主軸拓?fù)涞膬?yōu)化即為對主軸的軸承接觸面進(jìn)行約束，針對于靠近主軸搖臂端的約束設(shè)置成為限制X、Y、Z方向的平移與限制繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，針對于靠近主軸配重端的約束設(shè)置為限制X、Y方向的平移與限制繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。然后在這一基礎(chǔ)上對主軸兩端施加水平徑向力，即為Force（即Fr4 ） ， Force 2（即Fr5），然后在主軸中間右側(cè)一階梯面施加軸向力，即為Force 3（即Fn），最后在主軸配重端間隔一百八十度的位置配置兩個(gè)鍵槽擠壓面施加繞Z軸的轉(zhuǎn)矩Moment 2（即T2）。

另外，還可以在ANSYS Workbench Shape Optimization的模塊中加入Shape Finder選項(xiàng)，在刪除率增加的背景下，想要保障拓?fù)涞膬?yōu)化就需要?jiǎng)h除一些低應(yīng)力區(qū)域的材料，以此來保障主軸結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平衡。如果刪除率較低，那么就會(huì)導(dǎo)致拓?fù)鋬?yōu)化效果難以達(dá)到最佳水平，反之則會(huì)造成拓?fù)鋬?yōu)化出現(xiàn)過度刪除的問題，進(jìn)而造成優(yōu)化終結(jié)。所以，在這一背景下，需要科學(xué)判別拓?fù)鋬?yōu)化的科學(xué)性與合理性，可以將刪除率設(shè)置成為百分之二十、百分之四十、百分之六十以及百分之七十。然后在這一基礎(chǔ)上對比與刪除率相對應(yīng)的主軸拓?fù)鋬?yōu)化效果，針對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部區(qū)域材料來講，其比外部區(qū)域材料去除率更多，保障目標(biāo)刪除率在科學(xué)范圍內(nèi)就可以建立最好的荷載傳遞方式[4]。由于主軸內(nèi)部會(huì)刪除諸多材料，這樣主軸支撐位置與鍵槽位置都會(huì)受到大彎矩進(jìn)而應(yīng)力的影響，需要在凸起位置體現(xiàn)出保留材料的位置，因?yàn)樽髠?cè)的凸起的區(qū)域長度較短、坡度較大，而右側(cè)凸起位置的長度較長且坡度較緩。所以，在優(yōu)化和完善主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)保障外部結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化。在優(yōu)化拓?fù)涞谋尘跋?，主軸結(jié)構(gòu)會(huì)從實(shí)心變?yōu)榭招?，但需要注意的是，這種優(yōu)化方式還處在設(shè)計(jì)階段，真實(shí)且具體的構(gòu)造與尺寸還需要深入分析和探索。在過程中如果依照主軸拓?fù)涞膬?yōu)化結(jié)果來對其進(jìn)行改造，那么將會(huì)增加毛坯制取的復(fù)雜度和加工難度。因此，可以選取主軸的最小內(nèi)徑來作為整體主軸的內(nèi)徑，這樣的方式不僅簡單且十分便捷。

結(jié)束語：

結(jié)合全文，在大型游樂設(shè)備主軸靜動(dòng)態(tài)特征分析與主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以借助拓?fù)鋬?yōu)化方式來對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后在這一基礎(chǔ)上選取主軸配重端最小的內(nèi)徑來作為整軸內(nèi)徑的參考，這樣的方式不僅可以達(dá)到優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，同時(shí)還可以降低設(shè)計(jì)變量數(shù)目，進(jìn)而提升主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化的整體效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]崔立， 張洪生. 緊湊型高速電主軸拉刀機(jī)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床， 2020， No.692（02）：150-157.

[3]丘立慶. 基于ANSYS Workbench的高速電主軸靜動(dòng)態(tài)性能仿真分析及優(yōu)化[J]. 設(shè)備管理與維修， 2019， No.456（18）：32-34.

[4]孫戰(zhàn)強(qiáng)， 常國強(qiáng). 某游樂設(shè)施防護(hù)裝置聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)性的探究[J]. 特種設(shè)備安全技術(shù)， 2019， 000（004）：53-53.

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