摘要：本文利用有限元软件对水滑梯钢结构立柱的强度进行分析，得到其危险源处应力情况，并根据实际工况获得危险源处载荷谱，通过FE-Fatigue对水滑梯钢结构立柱进行了疲劳寿命分析。有限元方法的利用为水上游乐设施钢结构立柱检验提供了有效的方法和思路。
关键词：有限元；水滑梯；钢结构立柱；疲劳寿命
1.引言
水滑梯一般没有任何机械装置，游客需要先从楼梯走到十几、二十米的平台，然后按照规定的姿势靠我们自身的重力利用水流向下滑行。随着水滑梯的高度越来越高，结构越来越复杂，而水滑梯主要是由玻璃钢固定在稳定的钢架结构上，在使用过程中钢结构立柱会受到各种形式的作用力及外在环境影响，直接关系到设备的安全运行和使用寿命。因此，通过有限元方法对水滑梯钢结构立柱进行力学计算是非常必要的。目前通用的有限元软件有HyperWorks、Ansys、Nastran等，本文依据GB8408-2008《游艺机和游乐设施安全规范》、GB/T18168-2008《水上游乐设施通用技术条件》、《机械设计手册》对大喇叭水滑梯的钢结构立柱及载荷特点进行分析计算。
2.水滑梯钢结构立柱有限元前处理
2.1水滑梯结构特点
图1为大喇叭水滑梯三维设计图。大喇叭水滑梯的设计采用圆锥形正放四角锥网架的主体结构形式和毂形焊接节点的节点连接方式。结合了钢结构立柱及网架的稳定性设计及上托玻璃钢分布特点，减少了成本，同时还考虑到水滑梯的润滑、摩擦阻力及各类载荷对稳定性的影响。图中箭头所指处为本文需要进行应力计算和疲劳寿命分析的焊缝部位，因为该处承受整个滑道（大喇叭部分除外）的重量。
2.2水滑梯钢结构立柱网格划分
选择合理的单元类型和形状以及合适的网格对有限元计算是十分关键的。本次分析选用水滑梯钢结构中最危险也是受力最大的一组受力点联结作为研究对象，如图1中箭头所标注。该受力点立柱采用8mm直径钢管，横梁采用厚度为6mm的方管，由于是等截面材料，二者均采用壳单元，立柱与横梁连接处采用点焊单元。
2.3材料定义
表1为以上钢结构各部分在Hypermesh中材料的设置。均采用普通碳素钢的相关参数。
有限元法中认为力是靠节点传递，在整体刚度方程中的载荷项均为节点载荷。因此，当单元受有均布载荷或其他非节点载荷时，必须将其向节点移置，即将非节点载荷换算成作用在节点上的效果相当的几种载荷。图2显示滑道重量，水载荷，横向风载荷的施加位置。
3.水滑梯钢结构应力计算与后处理
Optistruct是一个效率极高、精确独立的有限元求解器，支持在多CPU处理计算机上进行并行运算。该求解器涵盖了标准的有限元类型，可用于进行线性静态分析、模态分析、惯性释放、频率响应分析和屈曲分析。
利用Optistruct求解器进行求解计算，结果如图3所示。最大应力出现在横梁与立柱外侧连接焊缝处，最大应力为138.0MPa，普通碳素钢的屈服极限为235.0Mpa，符合强度设计要求。
4.关键焊缝处疲劳寿命分析
如图4所示，将载荷谱作用于危险部位，根据钢结构材料的S-N曲线和选择的相关伤害损伤积累理论进行计算，得到危险部位的接触疲劳寿命，即关键焊缝的疲劳寿命。
如图5，可以看出为了完成疲劳寿命有限元分析需要HyperMesh（前处理/后处理）、Nastran（静力分析求解器）、FE-Fatigue（疲劳寿命分析求解器/载荷谱编制）。
根据HyperMesh中建立的有限元模型，得到.dat的数据格式，经过Nastran的求解，可以得到.pch批处理文件和.op2文件。上图也给出了两个生成FE-Fatigue所需要的.fes疲劳处理输入文件的路径，经过FE-Fatigue分析之后，得到HyperMesh后处理需要的.hyp结果文件。
在图6结果中，我们可以发现，节点567是5.86×10-9在一个周期内的损伤最严重的节点，因此该处关键焊缝的寿命是1.71×108。由此可以得出该处钢结构立柱疲劳寿命为 左右。
5.结束语
（1）采用HyperWorks对水滑梯钢结构焊缝进行强度分析，其结果与实际计算相符合，证明了其应用于水滑梯钢结构强度设计阶段的有效性。
（2）用有限元分析得到的应力进行疲劳寿命分析，与以往根据实测应力或根据材料力学方法算得的应力主要不同之处在于疲劳强度降低系数取值不同。直接使用实测随机载荷时间历程进行寿命分析避免了使用人工编制的周期性程序载荷谱进行寿命分析时，各个作用载荷之间相位难以考虑的缺点。
（3）将疲劳寿命分析所得结果反输入到有限元模型就可以绘制整个结构的疲劳寿命分布图。按照本文的计算不仅可以进行静强度分析，还可以进行疲劳寿命分析预测其寿命，同时也为我们在游乐设施钢结构使用寿命设计计算与风险评估中提供了方便。
参考文献：
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[5]叶绍松，阮祥发.有限元法在结构分析中的应用.机械研究与应用.2005年04期
[6]GB8408-2008《游艺机和游乐设施安全规范》
[7]GB/T18168-2008《水上游乐设施通用技术条件》
论文作者:黄珙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/4
标签：滑梯论文; 载荷论文; 钢结构论文; 立柱论文; 寿命论文; 疲劳论文; 有限元论文; 《电力设备》2017年第7期论文;