（绍兴科技馆 浙江省 312000）
摘要：科技馆展品展项开发周期短，使用条件复杂，使用时经受各种极端工况，设计难度大。ANSYS/LS-DYNA是通用的非线性有限元分析软件。建立简化的力学模型，设置初始条件与参数；基于ANSYS/LS-DYNA对“杠杠称体重”原方钢骨架结构进行运动仿真，模拟落物冲击，结果进行应力应变分析，出现应力集中、最大应力超过钢材屈服强度；需进行优化设计，钢骨架结构更换为槽钢骨架，对优化后结构再次运动仿真模拟，结果符合条件。整个流程为展品设计初期进行疲劳寿命验证提供了一种方法。
关键字：展品 ANSYS/LS-DYNA 结构优化设计
引言
科技馆展项展品设计制造具有量小和个性化定制的特点，科技馆人流量大，环境复杂，展品一旦投入使用，就出现各种极限工况。杠杆称体重展项位于绍兴科技馆二楼探索与发现展厅内，是运用杠杆平衡原理进行体验的展项。在经过两年开馆运行，杠杠梁中间部位发生了不可逆的形变。
原因在于最初设计和分析时候，由于采用静力学的设计观点。但是当游客突然站到杠杆上或者突然从高处下落时候对杠杆梁产生冲击，出现复杂的应力应变分布。ANSYS/LS-DYNA模块可以高效的模拟物体的冲击接触。本文对该展项在落物冲击时候的响应进行了ANSYS/LS-DYNA仿真和强度分析，并且进行了结构的优化设计。
1、结构优化设计流程
建立3D模型，运用ANSYS/LS-DYNA进行动态受力验证，不符合要求，优化或者重新设计3D模型，直到符合条件。
左右侧两端都有游客同时对杠杠梁进行冲击，杠杠中间部位相对静止，将整个杠杆的简化为只有右侧一半的悬臂梁。杠杆骨架为Q235，假设极限工况下游客在最远端跳跃下落高度为0.5米，右端的2个体重为75kg游客简化为一个m=150kg的圆柱体，圆柱体的冲击速度V= =3.13m/s。
3、现有结构分析
有限元模型建立，在SolidWorks建立杠杆骨架为30×30×2.5方钢骨架，取右侧一半进行分析。
进行ANSYS/LS-DYNA分析。方钢单元类型选择Ls-dyna Solid164，右侧框架5个截面处施加全自由度为零的约束，并且给予圆柱体落物3.13m/s的初速度。圆柱体与方钢架初始在最远端接触。定义接触类型为面接触，设置求解时间为0.05s，输出步数为10，Write Jobname.k输出计算的K文件。Ls-dyna slover计算K文件。
LS-PrePost读取计算得到d3plot文件，整个冲击过程仿真结果为最大形变0.144，最大应力σ方钢架=1.41e12。 对仿真结果分析，Q235的屈服强度σ=235Mpa，σ方钢架远远大于了该碳素结构钢的屈服强度，该方钢骨架的设计方案不符合强度要求。
进行结构优化，运动仿真验证
对于原状态采用方钢作为骨架的设计方案，予以改用12#槽钢作为骨架进行方案设计，整体杠杆骨架在SolidWorks建立如图3D模型。将右侧简化为悬臂梁，进行运动仿真。
ANSYS/LS-DYNA分析。槽钢单元类型选择Ls-dyna Solid 164，右侧框架2个截面处施加全自由度为零的约束，并且给予圆柱体落物3.13m/s的初速度。圆柱体与槽钢钢架初始在最远端接触。定义接触类型为面接触，设置求解时间为0.05s，输出步数为10，Write Jobname.k输出计算的K文件。Ls-dyna slover计算K文件。
LS-PrePost读取d3plot文件，整个冲击过程仿真结果为最大形变0.104，σ槽钢架=2.34e8。
对比仿真结果，钢骨架优化后形变量减少27%;槽钢骨架最大的σ槽钢架相较于方钢骨架的σ方钢架大大减小，且小于Q235的屈服强度，说明优化有效。
结语
基于ANSYS/LS-DYNA进行的各种显示动力学仿真，在展品设计初期进行的疲劳寿命验证，为展品设计师发挥创造空间，大幅度提高设计质量。使展品的研发周期缩短，节省开发费用，避免因展品工期紧张缺少疲劳验证产生的质量问题，方便维修以及维护，对于科技馆和展品制作企业来讲，意义重大。
参考文献
[1]工程车辆落物保护结构的冲击仿真，董立新，周贤丰，刘力菱，《现代机械》,2006(4):50-51.
[2]自由落体冲击下模板支撑系统的动力分析周威，殷晨波，任汨，《工业建筑》,2011,41(1):19-22.
[3]基于ANSYS的矿用自卸车厢抗冲击性能研究，张士营，张文辉，《丽水学院学报》,2015,37(5):47-51.
[4] ANSYS机械工程应用精华60例[专著]/高耀东等主编.
[5] ANSYS 14.5机械与结构分析实例详解[专著]/李万全等编著.
论文作者:孙吉锋,劳奇奇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/10
标签：骨架论文; 展品论文; 杠杆论文; 槽钢论文; 圆柱体论文; 结构论文; 钢架论文; 《电力设备》2017年第1期论文;