大摆锤动力学分析报告

1、大摆是一种常见的游乐设施，经过整体结构分析，得到了大摆的整体和各部件的结构应力。 但是，大钟摆的很多情况不能简化为静力学，需要动力学上的解决。模态分析是动力学分析的基础，大摆的悬臂梁以一定的周期摆动，需要对大摆的整体结构进行模态分析，可以预先避免产品设计前可能发生的共振。大摆的柱子是被压缩的细长部件，作用的负荷在某种程度以上时会压曲，不仅会考虑到强度的问题，还会考虑到压曲的稳定性的问题。图(a )是游乐园大钟摆的示意图图(b )的摆整体模型图1钟摆的示意图对大旋锤整体结构进行了动力学评价和分析，分别在大旋转锤旋转台满载和偏负荷的情况下，计算大旋转锤的悬臂摆动，对结构整体的影响，并计算悬臂摆动角

2、为120、90、45时柱的结构应力大夏比柱的弯曲分析悬臂驱动为顺利、安全的生产运营提供数据支持。2主要工作内容(1)建立了总体动力学分析模型，计算满载和偏载情况下立柱的受力情况(2)计算大旋转锤悬臂摆动角为120、90、45时柱的结构应力强度(3)悬臂驱动制动器的分析及驱动制动器对立柱的影响(4)钟摆整体的模态分析(5)大夏比柱的弯曲分析。三大摆的刚体动力学分析3.1材料参数整体结构材料： Q235钢。 材料力学参数是材料密度=7.85 t/m。3.2几何模型使用通用结构分析软件ansysworkbenchenvironment (awe ) 14.0多物理场协同CAE模拟软件，对整个大钟摆进

3、行建模，分别建立柱、悬臂、大转盘，并以软件组装。(a )钟摆整体的结构(b )转盘的一部分结构(c )大夏比悬臂梁(d )大夏比的柱子图2的摆整体组装模型3.3载荷和约束由于柱底板固定在地面上，柱底板与地面之间施加固定(Fixed )约束，模拟底板与地面之间的紧固连接。在重力的作用下，臂绕旋转滚筒的中心轴旋转，在臂的横向臂的内表面与柱固定筒之间施加旋转宽度(Revolute )，模拟臂绕梁的旋转。在悬臂摆动的过程中，大的转台以悬臂的中心轴为中心同时旋转，旋转的角速度为1.07rad/s。 在悬臂和大转盘之间加入“旋转宽度”，模拟大转盘围绕悬臂的旋转。悬臂在全摆动周期受到地球重力的作用，进行周期

4、性摆动，加上标准的重力加速度，方向为y的负方向。负荷和约束条件如图5所示。(a )整体负荷和约束(b )在转盘上施加1.07rad/s的角速度图3大转台载荷和约束示意图3.4刚体动力学的分析结果使用通用结构分析软件ansysworkbenchenvironment (awe ) 14.0的刚体动力学分析模块Rigid Dynamics对大钟摆进行动力学分析。为了模拟满载和偏负荷对柱的影响，分两种情况分析大摆。 将分析时间设定为20s。情况1 :满载时，大钟摆的动力学响应情况2 :偏载荷时，大钟摆的动力学响应。为了模拟起动制动对立柱的影响，模拟起动制动分析，起动制动时间为0.5s，角速度变化为0

5、.13r/s。 设定完成后，对启动制动进行动力学分析。3.4.1情况1 :满载时钟摆的动力学响应满载状态下，大摆的悬臂梁和转台在重力的作用下围绕旋转滚筒左右摆动，整体的摆动过程如图4所示。 箭头表示立柱上部受到悬臂梁摆动过程中的反作用力。(a )钟摆运动状态1(b )钟摆运动状态2(c )摆动运动状态3(d )钟摆运动状态4(e )摆动运动状态5(f )钟摆运动状态6图4情况1大摆动力学分析中的摆动状态图在悬臂梁摆动的过程中，柱受到悬臂梁的反作用力，三个方向的反作用力和总反作用力如图5(a )所示，悬臂梁受到总反作用力的最大值为658.55KN，总反作用力的最大值与y方向的反作用力的最大值一致

6、，大摆移动到底部时受到的反作用力主要由y方向的反作用力施加z方向的反作用力最大为0.000386KN，因为是满的，z方向总是保持平衡，反作用力几乎为零。 具体数据见附表1。(a )立柱反作用力的载荷时间曲线(b )立柱受到z方向反作用力的载荷时间曲线图5壳体1的柱承受悬臂梁的反作用力线图3.4.2情况2 :偏负荷时，钟摆的动力学响应在悬臂状态下，大摆的悬臂梁和转台在重力的作用下围绕旋转滚筒左右摆动，整体的摆动过程如图6所示。 箭头表示立柱上部悬臂摆动的过程中反作用力的大小。(a )摆动运动状态1(b )摆动运动状态2(c )摆动运动状态3(d )钟摆运动状态4(e )摆动运动状态5(f )钟摆

7、运动状态6图6情况2大摆动力学分析中的摆动状态图在悬臂梁摆动的过程中，柱受到悬臂梁的反作用力，三方向的反作用力和总反作用力如图7(a )所示，悬臂梁受到总反作用力最大574.43KN，总反作用力的最大值与y方向的反作用力的最大值一致，大摆向底部移动时，受到的反作用力主要由y方向的反作用力施加z方向的反作用力最大为0.14 KN，如图7(b )所示，由于偏载荷，z方向的反作用力以转台的周期旋转，周期性地变化。 具体数据见附表2。(a )立柱反作用力的载荷时间曲线(b )立柱受到z方向反作用力的载荷时间曲线图7的壳体2的柱承受悬臂梁的反作用力线图3.4.3大回转锤起动制动器的动力学响应在动臂制动过

8、程中，立柱受到动臂的反作用力，三方向的反作用力和总反作用力如图8所示，动臂承受总反作用力最大200.25KN，其中y方向反作用力最大193.75KN，x方向反作用力最大50.627KN，z方向反作用力大致为零，可以忽略图8起动制动柱受到臂反作用力的曲线图3.5总结在本节中，在满载大摆的情况和偏载的情况下，进行了刚体动力学的分析，在悬臂的摆动过程中，在两个情况下，悬臂对柱鼓施加了反作用力。 分析结果表明：(1)在整个摆动周期中，悬臂梁行驶到最下部时，柱所承受的载荷为最大(2)在偏载荷的情况下，由于偏载荷，对柱的影响小，偏载荷为全反作用力的：=0.2%；(3)在制动过程中，悬臂梁等附属结构对柱产生

9、反作用力，在有限元分析的前提下输入条件。4不同悬臂角度下立柱的有限元分析根据前一节的分析，转台的偏载荷对立柱的影响很小(约0.2% )，在全工况下，悬臂以不同的偏转角只计算立柱的结构应力。4.1钟摆的材料参数整体结构材料： Q235钢。 材料力学参数是材料密度=7.85 t/m、弹性模量E=210MPa、泊松比=0.3。4.2大夏比载荷特性分析如果大钟摆在重力的作用下在垂直平面内进行周期运动的话，可以简化成为单钟摆的物理运动模型。 如图9所示。图9钟摆运动的物理模型如果设大钟摆的最大摆动角a=120，则高度为(1)其中，h的大旋转锤的最高点是距旋转筒的中心轴线的高度r的大夏比长度。在转台摆动的

10、全周期，转台围绕鼓轴圆运动时，向心力：(2)其中，m的大钟摆摆动部分的简化质量v大摆运动中的瞬时速度。在大摆的最高点、摆动的全周期过程中，只受到重力的作用，机械能得以保存(3)其中，大钟摆的摆动角度g标准重力加速度，9.8m/s2；在整个转台的摆动过程中，摆动部分只受到重力和向心力，在悬臂梁的中心线方向上，摆动部分保持着向心力、重力的中心线上的分量、悬臂梁的摆动部分的拉力、三力的平衡(4)这里，对悬臂梁的摆动部分的拉力悬臂的拉力分别在水平和垂直方向上分解(5)联合以上公式，求出大钟摆的摆动部分的质量对悬臂施加的拉力时，如下(6)作用于托架固定筒的载荷包括鼓、吊臂、座位、乘客等附加质量，在摆动过

11、程中会受到离心力和动载荷的冲击。 考虑到这些影响因素，计算整个结构，并计算悬臂摆动到不同位置时(=120、90、45 )施加的载荷。4.3几何模型使用通用结构分析软件ansysysworkbenchenvironment (awe ) 14.0多物理场协同c 如图10所示。(a )立柱托架的二分之一(b )托架固定筒(c )立柱与托架固定筒的连接部分(d )专栏图10支架固定筒和立柱的几何模型4.4有限元实体模型(a )立柱支架的二分之一网格(b )托架固定筒网眼(c )立柱与托架固定筒的连接部分网眼(d )专栏网格图11托架固定筒和立柱的有限元模型基于大摆的几何模型，建立了有限元模型。 利用

12、20节点的186个单元，对有限元实体模型进行单元网格分割，采用自由四面体网格分割方法，得到理想的有限元网格，在重要部分进行局部加密，得到比较准确的模拟结果。 如图11所示。 单元总数为221815个，节点总数为408502个。4.5载荷和约束根据立柱和固定筒结构的对称性，对结构的对称面施加对称约束。 在列基座上施加全约束，模拟基座和地面的固定连接。根据整体分析报告，仅仅是其四分之一的情况下，考虑到冲击系数时的最大拉伸力为*kg，该值在运转到最低部时，考虑到四加倍速度时的质量，在不同的摆角的情况下，仅考虑1.5倍冲击系数时，二分之一的最大拉伸力如下m=*=*kg机架纯总静载荷*kg，考虑为二分之

13、一结构，机架纯总静载荷*kg。考虑到重力影响，在y的负方向上加上标准的重力加速度9806.6mm/s2。 负荷和约束条件如图12所示。(a )整体负荷和约束(b )固定筒的载荷和约束图12的柱和固定筒的载荷和约束示意图4.6有限元应力分析结果根据悬臂的摆动角的大小，分别分析=120、90、45等情况。4.6.1=120支架有限元分析在悬臂摆动角=120的情况下，将m=*kg代入式(6)中=*N=*N由于悬臂梁和转台等冲击载荷和框架等附属静载荷，托架固定筒和立柱的整体应力(第三强度理论计算值)如图13(a )所示。 最大应力为31.6MPa，如图13(b )所示，出现在柱与底板的连接部。(a )

14、立柱整体的应力云图(b )立柱的局部最大应力图13=120柱和固定筒的分析结果4.6.2=90支架有限元分析和前一节一样省略。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。4.6.3=45支架有限元分析和前一节一样省略。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。4.7总结表1显示了大夏比在各情况下的应力值和与其对应的安全系数。表1结果汇总表盒子摇角评价变量容许值结论名字应力值安全系数1120立柱最大应力31.6毫帕11.93.5满足条件290立柱最大应力37.4毫帕10.03.5满足条件34

15、5立柱最大应力70.7毫帕5.33.5满足条件注： (1)大旋转锤结构所采用的材料为Q235，根据游乐设施实用手册中GB8408-2008 游乐设施安全规范表2的规定，游乐设施受到的最大应力与材料的极限应力之比为安全系数n=UR，但是=375Mpa，n是3.5。五大摆起动制动有限元分析材料属性、有限元模型和单元格网格分区与上一节相同，且不再进一步说明，请参见上一节。5.1载荷和约束根据立柱和固定筒结构的对称性，对结构的对称面施加对称约束。 在列基座上施加全约束，模拟基座和地面的固定连接。根据第三节动力学分析结果，y方向反作用力最大*KN，x方向反作用力最大*KN，考虑到1.5倍的冲击载荷，施加

16、在立柱固定筒的相应位置上。考虑到重力影响，在y的负方向上加上标准的重力加速度9806.6mm/s2。 负荷和约束条件如图16所示。(a )整体负荷和约束(b )固定筒的载荷和约束图16起动制动时的立柱负荷和约束示意图5.2有限元应力分析结果悬臂施加制动的情况下，在悬臂和转台等的冲击负荷和框架等的附属静负荷的作用下，托架固定筒和立柱的整体应力(第三强度理论计算值)的云图如图17(a )所示。 最大应力为50.093MPa，如图17(b )所示，出现在柱和基板的连接部。(a )立柱整体的应力云图(b )立柱的局部最大应力图17起动制动箱中立柱的分析结果5.3总结表明大摆刹车工况下，柱最大应力为50.093MPa，对应安全系数为7.5，超过规定的3.5安全系数，刹车工况下，大摆柱满足设计要求。