FY36搖頭飛椅（B級）設(shè)計計算書

FY39搖擺傘（B級）

設(shè)計計算書

作者：趙九峰

趙九峰：河南平頂山人，09年大連理工大學(xué)工程機械碩士畢業(yè)，CAD/CAE工程

師，仿真論壇AnsysWB版主；主要從事游樂設(shè)備設(shè)計、計算、有限

元仿真，3D建模、CAD制圖、撰寫設(shè)計計算說明書、申報鑒定文件，

并對游樂設(shè)備設(shè)計、制造、申報鑒定流程提供指導(dǎo)。

1.掌握三維Solidworks的應(yīng)用技能，熟練應(yīng)用Solidworks的鍍金模塊、焊件模

塊和工程圖模塊；

2.熟練使用ANSYS、Workbench等做機械相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)計算和仿真分析；

3.掌握LS_DYNA的沖擊分析和ADAMS的動力學(xué)分析；

4.熟練使用ICEM前處理軟件，勾畫出任意結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格。

游樂設(shè)備CAD/CAE工作室

2016年10月

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FY39搖頭飛椅(B級)設(shè)計計算書

目錄

第一部分總論

1概述.......................................................................1

2工作依據(jù)..................................................................2

3主要工作內(nèi)容..............................................................3

4計算模型簡化說明與材料參數(shù)................................................3

5搖擺傘載荷特性分析........................................................5

第二部分整體剛體動力學(xué)分析計算

6剛體動力學(xué)分析...........................................................11

6.1概述.....................................................................11

6.2幾何模型.................................................................12

6.3載荷與約束...............................................................13

6.4剛體動力學(xué)分析結(jié)果......................................................15

6.4.1滿載+風(fēng)載..............................................................16

6.4.2工況2：偏載+風(fēng)載......................................................19

6.5小結(jié)....................................................................20

第三部分主體部件分析計算

7主機架(FY39.01)...........................................................22

8下旋轉(zhuǎn)部件(FY39.02).....................................................37

9上旋轉(zhuǎn)部件(FY39.04).....................................................57

10吊架部件(FY39.05)....................................................82

11主體分析結(jié)果匯總........................................................94

第四部分座椅分析計算

12乘人加速度與安全帶驗算...................................................99

13座椅固定吊板(FY39.0501.10)和座椅活動吊板(FY39.0503.2)...........100

14吊環(huán)、錨鏈和二次保險鋼絲繩的計算........................................107

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15壓杠骨架(FY39.0503.3)................................................110

16座椅安全桿(FY39.0503.5).............................................116

17座椅分析結(jié)果匯總.......................................................119

第五部分其它類型分析

18液壓提升系統(tǒng)的校核計算(FY39.06).....................................121

19搖擺傘的模態(tài)分析.......................................................123

20特殊工況有限元分析(風(fēng)載、雪載和地震載荷)...............................126

21防止傾覆和防止側(cè)滑計算..................................................134

22螺栓的計算..............................................................137

23回轉(zhuǎn)支承的計算..........................................................142

24電機、齒輪、減速機和液力耦合器的計算...................................147

25帶傳動的計算............................................................155

26軸承的計算..............................................................157

27基礎(chǔ)受力和基礎(chǔ)地腳螺栓的計算............................................158

28結(jié)論.....................................................................161

附表1：搖擺傘結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一覽表..............................................163

附表2：搖擺傘其他類型分析結(jié)果一覽表.........................................167

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第一部分總論

1概述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，游樂設(shè)施在人們?nèi)粘Ｉ畹阮I(lǐng)域得到越來越廣

泛的應(yīng)用，搖擺傘屬飛行塔類大型游藝機，懸掛式座椅邊旋轉(zhuǎn)邊升降，是目前

非常流行的游樂項目。

搖擺傘的工作程序如下：油泵電機啟動油缸升起，主回轉(zhuǎn)電機啟動，上部

回轉(zhuǎn)電機啟動，大盤開始旋轉(zhuǎn)，大盤升到頂部開始搖頭一定時間后，油缸下降,

大盤也開始下降，座椅部分繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)部分停止，油缸下降，大油泵停止,

小油泵停止，一個工作周期完成。

搖擺傘的特點：飛椅在旋轉(zhuǎn)過程中升降，塔身反方向旋轉(zhuǎn)，上升一定高度

后座椅隨大盤傾斜旋轉(zhuǎn)，時而上升時而下沖，猶如燕子在空中穿梭，讓游客在

動與靜中體驗驚險與樂趣，展現(xiàn)在游客面前的是集趣味與享受為一體的歡樂氣

氛。此時乘坐在座椅上的游客，充滿刺激、浪漫的感覺，猶如在空中飄蕩、飛

翔。該設(shè)備運行平穩(wěn)，安全可靠，性能穩(wěn)定，操作簡單，是游客向往的娛樂項

目。搖擺傘的結(jié)構(gòu)簡圖如圖l-lo

圖1-1搖擺傘結(jié)構(gòu)簡圖

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搖擺傘的基本信息如表1T所示。

表1T搖擺傘的基本信息

設(shè)備名稱搖擺傘

主體材質(zhì)Q235B

設(shè)計/制造單位九峰游樂設(shè)備CAD/CAE工作室

運行高度

設(shè)備總高

乘坐人數(shù)(成人)

技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動功率

輔助功率

水平旋轉(zhuǎn)速度

轉(zhuǎn)盤傾角

頂升油缸行程

2工作依據(jù)

(1)“搖擺傘”設(shè)計圖紙(圖紙編號：FY39)；

(2)GB8408-2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》；

(3)GB/T18161-2008《飛行塔類游藝機通用技術(shù)條件》；

(4)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》；

(5)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；

(6)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標準》；

(7)GB3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》；

(8)JB2300-2011《回轉(zhuǎn)支承》；

(9)GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》；

(10)《機械設(shè)計手冊》化學(xué)工業(yè)出版社；

(11)《起重機設(shè)計手冊》中國鐵道出版社，張質(zhì)文主編；

(12)《工程力學(xué)》高等教育出版社，范欽珊主編，第二版；

(13)《機械設(shè)計》高等教育出版社，濮良貴主編，第二版；

(14)《機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計》機械工業(yè)出版社，徐格寧主編，第二版;

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（15）《起重機械金屬結(jié)構(gòu)》上海交通大學(xué)出版社，董達善主編。

3主要工作內(nèi)容

（1）建立搖擺傘主機架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件的有限元數(shù)

值分析模型；

（2）計算搖擺傘主機架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件在滿載作用

下的應(yīng)力；

（3）計算搖擺傘主機架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件在偏載作用

下的應(yīng)力；

（4）關(guān)鍵部位（銷軸、關(guān)鍵焊縫）的強度分析及疲勞校核；

（5）座椅組件的強度分析及疲勞校核；

（6）搖擺傘主體的模態(tài)分析；

（7）搖擺傘主機架和搖頭立柱部件的屈曲分析；

（8）特殊載荷（風(fēng)載、地震載荷和雪載荷）下的分析；

（9）防止傾覆和防止側(cè)滑的計算；

（10）電機、減速器、螺栓、回轉(zhuǎn)支承、齒輪和軸承等部件的驗算。

4計算模型簡化說明與材料參數(shù)

4.1計算模型簡化說明

搖擺傘主體分析采用板殼單元的力學(xué)模型。電機、齒輪、座椅、螺栓、筋

板等附屬質(zhì)量產(chǎn)生的載荷，施加在搖擺傘的整個鋼架結(jié)構(gòu)上，模擬這些附屬構(gòu)

件對整個搖擺傘主體鋼架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。局部部件分析，考慮模型細節(jié)（筋

板、焊縫等），利用經(jīng)典力學(xué)公式，進行局部分析的理論核算。

4.2搖擺傘的材料參數(shù)

搖擺傘部件在Solidworks軟件中進行精細化建模并提取質(zhì)量，如表4-1o

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表4-1搖擺傘主要部件及質(zhì)量

序號部件名稱圖號數(shù)量材料單重(Kg)總重(Kg)

主機架部件機架面板

1

FY39.01機架底板

下旋轉(zhuǎn)傳動組件

轉(zhuǎn)筒固定架組件

下旋轉(zhuǎn)部件

2內(nèi)轉(zhuǎn)筒支架組件

FY39.02

外轉(zhuǎn)筒支架組件

下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤組件

下導(dǎo)向輪組件

上旋轉(zhuǎn)部件上導(dǎo)向輪組件

3

FY39.04上旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤組件

上旋轉(zhuǎn)頂升盤

吊架部件主架組件

4

FY39.05剪刀叉架

5座椅(包含錨鏈、鋼絲繩等)

主體結(jié)構(gòu)材料:Q235B鋼(叫=375MPa)；銷軸的材料為:45#鋼(ok=600MPa)；

螺栓采用高強螺栓(％=800MPa)。材料力學(xué)參量為：彈性模量E=2X10MPa,

泊松比V=0.3。

由JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標準》的表CT,Q235B、45#鋼

和高強螺栓的疲勞特性參數(shù)如表4-2所示。

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表4-2主要材料疲勞曲線數(shù)據(jù)

序號1234567891011

循環(huán)次數(shù)（N）1020501002002E31E42E41E52E51E6

應(yīng)Q235B4000282818971414106944126221413811486.2

力

45#鋼

幅

高強螺栓

(MPa)

S-N曲線如圖4~1所不:

?Q235B

-?-45#

—螺栓材料

1.5

0.511.522.533.544.555.56

循環(huán)次數(shù)(log)[N]

圖4-1主要材料的S-N曲線

5搖擺傘載荷特性分析

5.1工作載荷

搖擺傘分為上下反向旋轉(zhuǎn)，合成轉(zhuǎn)速0.0r/min,上部旋轉(zhuǎn)支撐件在有滑道

的立柱中上下運動，立柱上部0.0m處圓滑過渡傾斜00。。如載荷示意圖1所

zKo

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圖5-1載荷示意圖

座椅和乘人在運動過程中，始終受到重力作用，受到的重力大小為：

（5-1）

其中：g一標準重力加速度，9.8m/s2；

g一座椅組件質(zhì)量（表4-1,P3）,11kg；

m,一乘人質(zhì)量，按照700N/人計算，加，=紅=-^-=71kgo

■9.8

搖擺傘運轉(zhuǎn)時，乘人和座椅一起，繞旋轉(zhuǎn)筒的中心軸線做勻速圓周運動,

角速度的大小為（見參數(shù)表卜1,回轉(zhuǎn)速度的驗算見第38節(jié)）：

QC

W=—r/s

60

其中下旋轉(zhuǎn)部件的角速度為13rpm,上旋轉(zhuǎn)部件的角速度為4.5rpm。

下旋轉(zhuǎn)角速度：

<S>

上旋轉(zhuǎn)角速度：----

<S>

則挑臂與座椅連接部位，承受乘人和座椅圓周運動的離心力：

(5-2)

其中：r一乘人與座椅質(zhì)心相對于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑。

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乘人和座椅在重力和座椅錨鏈的拉力共同作用下，乘人和座椅在豎直方向

處于平衡狀態(tài)，根據(jù)三角形邊角關(guān)系，重力G和離心力F的合力：

其中：0一重力G與離心力P的夾角，值隨擺動位置變化。

乘人與座椅質(zhì)心相對于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑：

（5-4）

其中：L—固定吊板與吊架主架連接部位（即吊掛軸）到回轉(zhuǎn)中心的距離，

分別為4.5m、3.7m和2.9m；

I一座椅錨鏈的有效長度，值為3m。

a一合力F：與離心力F的夾角，如圖5T所示。

根據(jù)三角形邊角關(guān)系：

cg=a3Jjai----^7"——；（5-5）

2^

由公式（5-3）可知，合力F：與夾角D有關(guān)，當飛椅擺動到最低端時，。最

小，此時合力F：取最大值，由幾何關(guān)系知（見參數(shù)表1T可知，轉(zhuǎn)盤傾角為

15°)：

(5-6)

則合力F.取最大值:

(5-7)

聯(lián)立以上關(guān)系式可得，當飛椅擺動到最低端時，解得:

1=4.5m時：a=46°,Fjmax=1028N；

L=3.7m時：a=50°,F;max=984N；

L=2.9m時：a=54°，F(xiàn);max=943N；

搖擺傘屬于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備。最大的旋轉(zhuǎn)速度（線速度）為最低點時最外側(cè)座椅

的瞬時速度:

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(5-8)

=0.89X(4.5+3Xcos46°)=5.9m/s

由《游樂設(shè)施安全規(guī)范》釋義第4.2.3.2節(jié)：同類別的游樂設(shè)施采用同一

沖擊系數(shù)，顯然是不合理的，因此，以速度大小確定沖擊系數(shù)是比較科學(xué)的；

有的游樂設(shè)施其乘人部分有公轉(zhuǎn)也有自轉(zhuǎn)，還可能同時有升降，我們稱之為組

合運動，其速度的取值應(yīng)取幾種運動合成速度的最大值。

根據(jù)GB8408-2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中表1：搖擺傘的速度最大值大于

5m/s,同時小于10m/s,通過插值，可取搖擺傘的沖擊系數(shù)為K=1.34,保守計

算，取K=1.4。

設(shè)備的自重為永久載荷(其中乘人用質(zhì)量單元模擬，等效為永久載荷)，

在沖擊載荷作用下，等效的重力加速度為：

笈=然：=9.8X1.4=13.7m/s?(5-9)

5.2風(fēng)載荷

根據(jù)GB8408-2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中4.2.2.7節(jié)：風(fēng)載荷分為工作

狀態(tài)載荷和非工作狀態(tài)載荷；游樂設(shè)施的設(shè)計，按最大運行風(fēng)速15m/s計算工

作狀態(tài)下的風(fēng)載荷；在靜止狀態(tài)應(yīng)能承受當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)提供的風(fēng)載荷。

由《起重機機械金屬結(jié)構(gòu)》：計算風(fēng)載荷時，認為它是一種任意方向作用

的水平力，工作狀態(tài)風(fēng)載荷時正常工作情況下所能承受的最大計算風(fēng)載荷，非

工作狀態(tài)下風(fēng)載荷是非正常工作情況下受到的最大計算風(fēng)載荷。工作狀態(tài)下的

風(fēng)壓不考慮高度的變化，非工作狀態(tài)下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，當高度W10m時,

取L

根據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載:

(5-10)

其中：F“一風(fēng)載荷計算值；

C—風(fēng)力系數(shù)，搖擺傘為箱型截面構(gòu)件，取1.75；

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K一風(fēng)壓高度變化系數(shù)，搖擺傘的運行總高度9.3m,工作狀態(tài)風(fēng)

壓不考慮高度變化，非工作狀態(tài)下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，當高

度W10m時，取1；綜上，搖擺傘的高度變化系數(shù)為1；

p—基本風(fēng)壓值。工作狀態(tài)下，風(fēng)速為15m/s,對應(yīng)的風(fēng)壓為

140N/D?（標準狀況下，風(fēng)壓”=宣=受=140N/n?）；非工作

1.61.6

狀態(tài)下，根據(jù)GB50009《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》，中國沿海地區(qū)（包

括海南島）50年一遇的風(fēng)壓值為500N/m?；

A一垂直于風(fēng)向的有效迎風(fēng)面積,10.7X2.56+3X4.7=41.5m%

以上數(shù)據(jù)代入公式（5-7）求的：

工作狀態(tài)下的風(fēng)載：々=0^4=1.75X1X140X41.5=10168N；

非工作狀態(tài)下的風(fēng)載：^=C?5D4=1.75X1X500X41.5=36313No

風(fēng)載作為外載荷，施加在搖擺傘最不利的方向（由于是對稱旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，施

加在Z向）。

5.3雪載荷和溫度載荷

由《游樂設(shè)施安全規(guī)范》：游樂設(shè)施的設(shè)計，在靜止狀態(tài)下應(yīng)能承受雪載

荷，積雪厚度不超過80mm時，施加在游樂設(shè)施總體表面的雪載荷，按照

0.2KN/m2的雪壓進行計算。釋義：該條主要針對積雪面積比較大的游樂設(shè)施。

（5-1D

其中：匕一雪壓，按照0.2KN/m2計算；

八一頂棚的投影面積，=30^=90m?。

44

以上數(shù)據(jù)代入公式（5-7）求得雪載：^=7^4=0.2X90=18KN=18000No

游樂設(shè)備一般情況下不考慮溫度載荷，由《起重機金屬結(jié)構(gòu)》：對跨度超

過30m的超靜定結(jié)構(gòu)，則應(yīng)當考慮因溫度變化引起的結(jié)構(gòu)件膨脹或收縮受到約

束所產(chǎn)生的載荷。搖擺傘的底座寬度大約2m,故不需要考慮溫度載荷。

地震載荷分析，見21節(jié)。

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5.4分析工況

搖擺傘運行過程中，整體主要結(jié)構(gòu)受到離心力、重力、沖擊載荷等作用，需

分不同的工況，分部件進行詳細計算。

由搖擺傘結(jié)構(gòu)可知，考慮座椅滿載和偏載對部件的影響。分為2種工況進

行校核：

工況1：滿載時，計算搖擺傘主機架部件、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件主體

及局部的受力狀況；

工況2：偏載時，計算搖擺傘主機架部件、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件主體

及局部的受力狀況。

座椅，僅在滿載（即有乘人）并運行到最低點時，受到載荷最大，因此僅

對座椅滿載時，擺動到最低點時進行校核計算。

建立有限元模型，施加載荷約束，在高性能計算機上進行模擬計算，根據(jù)

設(shè)備的運行特性，搖擺傘主體分為主機架、下旋轉(zhuǎn)部件、上旋轉(zhuǎn)部件、吊架部

件、座椅分析和其它類型分析等。

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第二部分整體剛體動力學(xué)分析計算

6剛體動力學(xué)分析

6.1概述

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析通過虛擬實驗精確、快捷地預(yù)測產(chǎn)品的整機性能，解決產(chǎn)

品的動力學(xué)、變形、強度、壽命等問題。在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中，將分散的零部件

設(shè)計和分析技術(shù)融合在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整機模型，并針對該產(chǎn)

品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)

品整體設(shè)計，提高產(chǎn)品性能。使產(chǎn)品設(shè)計人員在各種虛擬環(huán)境中，真實模擬產(chǎn)

品整體的運動及受力情況，分析其性能，更好地理解機械系統(tǒng)的運動，精確預(yù)

測載荷變化，計算其運動軌跡、速度和加速度等。

分析的最終目的：確定在動力載荷作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移、反力等量

值隨時間變化的規(guī)律，從而找出最大值，以作為設(shè)計分析的依據(jù)。動力學(xué)分析

能夠較精確地計算出作用在零件上的載荷，對主要零件進行強度計算，如對軸

進行強度計算，對軸承進行壽命計算等。并可根據(jù)計算結(jié)果反復(fù)地修改零件的

結(jié)構(gòu)尺寸，直到滿足設(shè)計要求。

搖擺傘是常見的游樂設(shè)施，需要考慮兩類載荷的作用：動力載荷和靜力載

荷。搖擺傘受到的載荷并非一成不變的靜載荷，而是隨著時間不斷變化的動載

荷，需進行動力學(xué)分析，根據(jù)運動學(xué)設(shè)計結(jié)果，分析、計算出作用在零件上的

載荷，以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動力學(xué)特性。由前面分析可知，分為2種工

況：

1.滿載工況；

2.偏載工況。

整體結(jié)構(gòu)材料：Q235鋼。材料力學(xué)參量為：材料密度為p=7.85t/m。

滿載時：由5.1節(jié)可知，乘客的質(zhì)量為71kg,用質(zhì)量單元，附加到36個

座椅上；

偏載時：用質(zhì)量單元，附加到其中一側(cè)的18個座椅上。

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6.2幾何模型

使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYSWorkbenchEnvironment（AWE）17.0多物理場

協(xié)同CAE仿真軟件，對搖擺傘的整體進行建模，分別建立主機架、下旋轉(zhuǎn)部件、

上旋轉(zhuǎn)部件、吊架部件和座椅的實體模型，并在軟件中進行裝配，如圖6-1所

不O

（1）搖擺傘整體結(jié)構(gòu)（2）主機架

（3）下旋轉(zhuǎn)部件（4）上旋轉(zhuǎn)部件

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(5)吊架部件(6)座椅

圖6-1搖擺傘整體裝配模型

6.3載荷與約束

由第5節(jié)可知，每個座位由兩個乘人，質(zhì)量為71kg,分別按照滿載、偏載,

利用Ansys的質(zhì)量單元(PointMass),附加到座椅的相應(yīng)位置，模擬2種工況

下?lián)u擺傘的承載能力。

主機架的底板固定在地方面，因此在立柱底板與地面之間，施加固定

(Fixed)約束，模擬底板與地面之間的緊固連接。

在電機、小齒輪和回轉(zhuǎn)支承的作用下，下旋轉(zhuǎn)部件繞主機架中心軸轉(zhuǎn)動，

上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件繞下旋轉(zhuǎn)部件中心軸轉(zhuǎn)動，同時沿搖頭立柱上下移動，

在相對轉(zhuǎn)動的約束部位，施加旋轉(zhuǎn)幅(Revolute)?

座椅錨鏈通過軸與關(guān)節(jié)軸承，與吊架掛點連接，連接部位施加繞側(cè)向和前

后方向的轉(zhuǎn)動約束，施加萬向節(jié)幅(Universal)。

在搖擺傘穩(wěn)態(tài)運行的過程中，由5.1節(jié)可知：下旋轉(zhuǎn)部件繞著主機架的中

軸線轉(zhuǎn)動的角速度為.136rad/s；上旋轉(zhuǎn)部件和吊架部件繞著下旋轉(zhuǎn)部件中軸線

轉(zhuǎn)動的角速度為0.07rad/so在相對運動的部位，施加驅(qū)動載荷(JointLoad),

載荷類型為旋轉(zhuǎn)角速度(RotationalVelocity),驅(qū)動和制動時間分別為20s,

模擬搖擺傘在整個運行周期內(nèi)的各種參數(shù)。

搖擺傘在整個運行周期內(nèi)，始終受到地球重力的作用，考慮L4倍沖擊載

荷作用，施加等效的重力加速度為13.7m/s2,方向為Y向。

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由5.2節(jié)可知，工作狀態(tài)下風(fēng)載為10168N,施加在吊架的水平方向。

載荷與約束如圖6-2所示。

B:RigidDynamics

TransientANSYS

Time:60.sR17.0

lttmt：i0of41Indiuted

20I6W1711:03

國Joint-RotationalVelocity:0.rad/s

■Joint-RoUbon:0.,

因b1nt-RotationalVelocity:0.r?d/s

[~D]Acceleration:HJm/?J

.PointMass

圜PointMats2

圈Point岫”3IL

MPointMASS4

胭PoineMass5

■PoineMd”6

QMQ4400帆

2M0

(1)整體的載荷與約束(2)乘人質(zhì)量單元

0.000tpoo(<n)

0.500

(3)底部固定約束(4)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動

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(5)重力(6)風(fēng)載

圖6-2搖擺傘載荷與約束

6.4剛體動力學(xué)分析結(jié)果

使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)17.0中的剛體

動力學(xué)分析模塊RigidDynamics,對搖擺傘進行動力學(xué)分析。

為了模擬搖擺傘的動力學(xué)響應(yīng)，分2種工況對搖擺傘進行分析。設(shè)定分析

時間為80s。

工況1：滿載+工作風(fēng)載，搖擺傘的動力學(xué)響應(yīng)；

工況2：偏載+工作風(fēng)載，搖擺傘的動力學(xué)響應(yīng)。

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6.4.1工況1：滿載+工作風(fēng)載

在滿載+工作風(fēng)載工況下，搖擺傘的各運行部件啟動、運行、制動，整個

運行過程中，各部位的約束反力，如圖6-3所示。箭頭表示約束部受的反作用

力。

(1)底架固定部位

(3)上旋轉(zhuǎn)部位(4)近端座椅連接部位

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（5）遠端座椅連接部位（6）橫梁座椅連接部位

圖6-3工況1運行部位反作用力圖

搖擺傘運行過程中，乘人受到下旋轉(zhuǎn)、上旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運動，并且上旋轉(zhuǎn)軸

和下旋轉(zhuǎn)軸的夾角為15°,乘人的速度時刻在變化。通過對整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)

分析，提取搖擺傘的最大速度曲線，如圖6-4所示。

6043.6

5CKX).

圖6-4搖擺傘最大速度曲線圖

由圖6-4可知，搖擺傘的最大速度為Om/s,與理論計算的最大速度0.9m/s

（P8）的誤差很?。ㄐ∮?%）,表明了仿真過程、運動狀態(tài)的正確性，同時也

表明的1.4倍的動載沖擊系數(shù)的合理性。

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搖擺傘在運行過程中，主機架底部的反作用力，主要為設(shè)備自重產(chǎn)生，滿

載時設(shè)備處于對稱平衡狀態(tài)（風(fēng)載影響很?。?，故Z方向的反作用力很大；同

理，上部件、下旋轉(zhuǎn)部件和吊架的反作用力，如圖6-5所示。

tzs2S.17JSO62575.8S

（1）主機架固定約束反力（2）主機架固定約束反力矩

（3）下旋轉(zhuǎn)約束反力（4）下旋轉(zhuǎn)約束反力矩

1【

之

（5）上旋轉(zhuǎn)約束反力（6）上旋轉(zhuǎn)約束反力矩

圖6-5工況1反作用力曲線圖

在滿載+風(fēng)載的工況下，對搖擺傘進了剛體動力學(xué)分析，提取各個相對運

動部件之間的約束反力和約束反力矩（其中Z軸向上）。

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搖擺傘運行過程中，由于支反力和反力矩隨時間不斷變化，所以找到結(jié)構(gòu)

最不利的時間點很難（最大載荷時間點不一定為結(jié)構(gòu)承載最不利時間點，結(jié)構(gòu)

承載最不利的工況既與力的大小有關(guān)，也和力的方向有關(guān)，力矩同樣道理，故

提取整個運行期間，支反力和支反力矩沿各軸各個分量的最大值，以保證涵蓋

結(jié)構(gòu)的最不利工況，下同），如表6T。

表6-1工況1支反力與支反力矩匯總

約束位置力學(xué)參數(shù)類型水平合力水平合力矩

FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N*m)MZ(N?m)

汨+哥（N）河+Mgm)

主機架

下旋轉(zhuǎn)

上旋轉(zhuǎn)

6.4.2工況2：偏載+工作風(fēng)載

偏載+工作風(fēng)載工況下，搖擺傘的各運行部件啟動、運行、制動，整個運行

過程中，各部位的約束反力，如圖6-6所示。

（1）主機架固定約束反力（2）主機架固定約束反力矩

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（5）上旋轉(zhuǎn)約束反力（6）上旋轉(zhuǎn)約束反力矩

圖6-6工況2反作用力曲線圖

偏載十工作風(fēng)載的工況下，對搖擺傘進了剛體動力學(xué)分析，提取各個相對

運動部件之間的約束反力和約束反力矩，如表6-2。

表6-2工況2支反力與支反力矩匯總

約束位置力學(xué)參數(shù)類型水平合力水平合力矩

FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N-m)MZ(N?m)

收+E⑻《憂+怵（N?m）

主機架

下旋轉(zhuǎn)

上旋轉(zhuǎn)

6.5小結(jié)

本節(jié)中，分別對搖擺傘在滿載+風(fēng)載、2/3偏載+風(fēng)載和1/3偏載+風(fēng)載工況

下，進行了剛體動力學(xué)的分析，并得到在整個運行過程中不同工況下，主機架

底部的反作用力和反作用力矩;下旋轉(zhuǎn)部件對主機架的反作用力和反作用力矩;

上旋轉(zhuǎn)部件對下旋轉(zhuǎn)部件的反作用力和反作用力矩；吊架部件對下旋轉(zhuǎn)部件的

反作用力和反作用力矩；

動力學(xué)分析，能夠更加全面了解搖擺傘的動力學(xué)性能，并為下面的靜力學(xué)

分析，提供載荷數(shù)據(jù)，更精確的計算搖擺傘的應(yīng)力強度、安全系數(shù)、疲勞等產(chǎn)

品數(shù)據(jù)。

分析結(jié)果表明：

（1）滿載+工作風(fēng)載工況下，主機架、下旋轉(zhuǎn)部件受到的豎直反作用力最

大；

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（2）偏載+工作風(fēng)載工況下，主機架、下旋轉(zhuǎn)部件受到的水平反作用力最

大；

（3）主機架、下旋轉(zhuǎn)部件受到制動力矩比驅(qū)動力矩大；

（4）兩種工況不能相互覆蓋，因此可分別對兩種工況下，搖擺傘各部件

進行有限元計算。

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第三部分主體部件分析計算

7主機架(FY39.01)

7.1有限元模型

使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)17.0多物理場

協(xié)同CAE仿真軟件，對搖擺傘主機架部件建模并進行網(wǎng)格劃分。

玻璃鋼外形，油缸頂柱、頂升盤立柱等轉(zhuǎn)化為質(zhì)量載荷，附加在主機架上。

采用8節(jié)點的殼單元(SHELL181)和2節(jié)點的梁單元(BEAM188),并使用四邊

形為主的網(wǎng)格劃分，如圖7-1所示。

ANSYS

R17.0

(2)機架面板網(wǎng)格

6840(mm)

(3)機架底板網(wǎng)格(4)機架網(wǎng)格

圖7-1搖擺傘主機架有限元模型

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7.2載荷與約束

由第6節(jié)剛體動力學(xué)分析可知，搖擺傘分為2種工況進行分析，并提取下

旋轉(zhuǎn)部件對主架的反作用力和反作用力矩（Z軸為懸臂拉桿銷，豎直方向），

匯總?cè)绫?-1所示：

表7-1下旋轉(zhuǎn)部件對主機架支反力與支反力矩

力學(xué)參數(shù)類型水平合力水平合力矩

工況

EX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N,m)MZ(N,m)正+E⑹小/+設(shè)（N?m）

滿載+工作風(fēng)載

偏載+工作風(fēng)載

分2種工況，主機架通過回轉(zhuǎn)支承連接下旋轉(zhuǎn)部件，因此在主機架機架面

板上，施加作用力和作用力矩。載荷按照表7T的2種工況施加，如圖7-2。

主機架底部與地面固定連接，連接部位施加固定約束，如圖7-2（3）；整

體施加等效重力加速度13.7m/d,如圖7-2（4）。

B:StaticStructuralB:SUtkStructural

Fo，ce