摘要：设计现代的游乐设备期间，借助计算机系统为辅助工作开展补充设计工作已逐渐成为行业内发展主流。伴随游乐设备实际设计需求持续性提升，对于游乐设备总体美观度及设计感有着较高标准，且游乐设备自身更具惊险刺激感。故而，游乐设备实际运行期间安全性至关重要。本文主要以游乐设备当中挑臂梁的设计为例，借助各种设计系统软件、CAD技术等，开展结构优化及仿真建模分析，意图能够通过此次实例分析尽快寻找到最佳的结构参数，以便于验证机械结构设计可行性与规则，以便于为相关的游乐设备整体结构的优化设计提供可靠性依据，指明结构部分优化设计全新思路。
关键词：游乐设备；挑臂梁；设计；结构优化
前言
伴随着社会经济高效发展，人均生活品质逐渐提升，现代人针对于物质生活方面的需求满足程度被日益提升，促使人们对于精神文化方面需求逐渐增加。故而，游乐场内部所有游乐活动，备受现代人所欢迎与青睐，已经逐渐成为现代人放松精神、缓解压力重要途径。游乐设备历经多年发展，广大游客针对于游乐设备各项需求呈逐年提升发展趋势，游乐设备惊险度被逐步提升，安全事故总发生率也呈逐年递增趋势。那么，在这一背景之下，人们对于游乐设备总体结构设计的优化各项要求与标准逐渐提升。由于游乐设备中，挑臂梁直接关系到游乐设备总体运行的安全性与稳定性。鉴于此，本文主要针对游乐设备中挑臂梁的设计与结构优化进行综述分析，望能够为相关专家及学者对这一课题的深入研究提供有价值的参考或者依据。
1、游乐设备各项参数
本文主要是以升降飞碟该设备为例，以飞机类自控游乐设备通用的技术条件各项技术模板实施结构设计，确定升降飞碟该设备基本的指标及各项参数。乘员数量4、载重量265kg、挑臂梁的长度4875mm、回转直径≥10、升降角度30°、驱动形式为液压油缸、挑梁形式为碳素的合金钢。对座椅强度核算，因游乐设备实际运行期间把座椅与乘客绑定一起。故而，为进行实况模拟，可把座椅与乘客视为整体。设备实际运行期间，往往会受离心力、重力双重影响，挑臂梁需同时承受着这一双重力，运行期间因座椅位置发生变化，受力状况通常也会随之改变。标准的运载模式条件下，座椅与乘客总重量约为265kg，上升到30°后会有离心力产生，即为F离=mα2R=5*0.7852*265=770N，确定应力之后，构建平衡方程式：∑FX=0，FX-F拉 *cos30°+F离=0，∑M=0，∑FY=0，F离+FY-F拉 *cos30°=0，F拉*cos30°*-G椅 *776-265-F离 *300=0。在此基础上推算出座椅处于最高点与水平期间平衡方程与受力状况，获取座椅与挑臂梁衔接位置最大的应力。经计算分析后可了解到，游乐设备在运行到最高点后，连接位置受最大的应力即为12462N。
2、主要零部件的结构设计
升降飞碟结构设备复杂程度较为突出，是大型的游乐设备，设备启动期间，悬臂梁呈顺时针实现高速旋转，还可上下升降，促使游客们有种身处宇宙空间至完美体验感。升降飞碟该游乐设备主要结构包括：回旋环、拉杆、座椅、挑臂梁、油缸、回转轴、油缸支撑、底座等。升降飞碟当中悬臂梁总体结构设计期间，需先对结构尺寸各项参数予以有效明确，调节好主要零部件实际尺寸。选定油缸的尺寸结构，应结合具体状况予以合理选定。针对升降飞碟此种有着较高安全系数要求、复杂的动力属性、较大强度结构设备，驱动力通常会选择液压系统，确保升降飞碟可在大范围内实现无极调速，且可维持稳定状态，连续转向运动期间仍然能够降低震动，故选择液压油缸为驱动系统最佳选择。安装油缸，属于耳板销轴与支座结构选定方面问题，即为耳环支座，液压油缸为衔接的主要部件。
3、三维建模及结构优化
3.1 挑臂梁的三维建模
箱梁结构自重较轻，工艺结构较为简洁，承载力强，故挑臂梁总体架构选用箱梁式结构。本文中升降飞碟该游乐设备当中挑臂梁的设计，主要采用厚度为10mm钢材焊接。因游乐设备实际运行期间，挑臂梁与油缸衔接位置严重受力，故为分担该游乐设备高速运行期间产生水平的应力，需将挑臂梁自身结构稳定性与强度提升，于是，针对其衔接位置加设吊耳装置，以起到分散载荷这一作用。以Solid Works系统软件平台为辅助作用，针对该游乐设备的跳鼻梁实施总体建模，如图1所示，为升降飞碟的挑臂梁总体结构情况。因设备处于高速运状态下极易有形变情况出现，以至于会对结构安全性与强度产生威胁。故而，可在跳鼻梁当中架设内部隔板，以确保挑臂梁实际强度能够提升，防止由于油缸推力较大所引发形变情况。结合此设备实际状况，设计者通常会选用横向12mm隔板来增强地内部的强度配置。为防止游乐深高速运行期间零部件出现损坏情况，应更好地紧固耳板的连接件，运用柱销来紧固螺栓，以起到固定耳板作用。
图1 升降飞碟的挑臂梁总体结构示图
3.2 优化设计挑臂梁总体结构
优化机械结构，主要指以保证机械设备各项功能为基础，借助合理调整零部件的结构参数与优化结构设计等方式，提升总体效益。通过有效机械结构，降低加工能耗及成本，确保生产效率得以有效提升，更好地保证结构实际强度。以Solid Works系统软件平台优化设计这一功能，优化游乐设备总体结构，需先构建起基础模型，即为针对于优化结构实施建模操作，以优化计算分析方法为主要手段，迭代计算函数，经整合后获取最佳的设计方案。机械结构总体模型优化可从以下方面着手：即为变量设计、目标函数及约束条件。所谓变量设计，它属于机械结构最为基础的要素，通过对变量进行条件设计与观察计算分析结果差异性，获取最佳模型参数，如机械结构角度与长宽等；所谓目标函数，即为最终优化的目标；而约束条件，即为在变量计算控制期间限制结构性能于模型状态数据，如位移参数与应力强度等。优化设升降飞碟该游乐设备期间，需先对挑臂梁实施静力学的综合分析，确定好实际约束条件，计算分析出变形与应力状况；计算分析该挑臂梁实际应力变化极值，获取应力实际分布状况；综合分析数学模型，查找结构设计实际存在着的隐患问题与可行性优化项目等，结合计算分析具体结果加以调整。实施静力学的分析期间，需先创建新的算例，选择所应用的材料，计算夹具的变量，进网格参数定义。借助对于挑臂梁静力学的综合分，确保算例重新产生，把挑臂梁几何特征当成设计参数。借助优化挑臂梁结构，确保其实际质量可降低约16.9%，但与3.5这一设计标准相比，安全系数5.7超过标准要求，可满足于实际设计切，安全性与承载力均可得到保障。借助Solid Works系统自带设计库该功能实施建模操作，优化标准件的应用功能，确保挑臂梁总体设计优化效果得以显著提升。
4.结语
综上所述，本文主要是以升降飞碟该游乐设备当中挑臂梁总体设计为例，以原始参数设定为基础，结合游乐设备基础理论设计实际需求，优化此设备当中挑臂梁结构设计，对所有零件实施重新建模，设计周期得以缩短。借助Solid Works系统软件来对总体结构开展静力学与动力学的综合分析，以探索到最佳参数的组合设计方案，更好地满足于各项标准及实际需求。
参考文献：
[1]田哲，李永奎. 基于SolidWorks的三自由度游乐设备的设计与有限元分析[J]. 机械研究与应用，2016，15（02）：334-336.
[2]王露. 游乐设备挑臂梁设计及其结构优化与仿真分析[D]. 2017，10（09）：219-221.
论文作者:张浦生
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/30
标签：设备论文; 结构论文; 总体论文; 应力论文; 参数论文; 座椅论文; 结构设计论文; 《基层建设》2019年第16期论文;