刘勇 王志明

摘 要：将计算机辅助工具应用于现代游乐设备的结构设计中已经成为一种主流趋势。在社会经济发展水平不断提高的背景下，人们对游乐设备的设计需求不断提升，在关注设备外形美观的基础上更加关注设备本身的安全性。本文以大型游乐设备挑臂梁设计和结构优化为切入点，综合运用各种软件，对其结构进行优化和仿真分析，旨在在实例分析的基础上获取最佳参数，形成新的结构优化思路。

关键词：游乐设备 挑臂梁设计 结构优化

引言：

在我国社会经济发展水平不断提高的背景下，人们的物质生活和精神生活都得到了极大满足，尤其是对精神文化的追求逐渐提高。在这一需要的影响下，以游乐场为代表的游乐环境成为人们休闲娱乐的主要场景，游乐设备越来越得到人们的欢迎，逐渐成为人们精神放松和压力排解的主要途径。随着人们对精神生活的追求不断提高，旧的游乐设备已经不能满足他们的精神需要，新型游乐设备相继出现。但是，这些游乐设备在给人们带来惊险刺激的体验的同时，也带来了很大安全隐患，安全事故的发生率与日俱增。对此，提高游乐设备的设计水平，优化设备结构成为游乐产业发展不得不考虑的问题当前，我国游乐设备在设计环节中存在功利性强和设计不严谨等问题，特别是严重忽视安全问题，使得设备的安全性能较低。因此，优化游乐设备结构，对其进行科学设计尤其重要。

一、关键零部件的结构设计

“升降飞碟”是现在游乐场中比较常见的大型游乐设备，它的结构设置相对复杂。“升降飞碟”在启动时，悬臂梁能够呈顺时针高速旋转，游客在这种上升和下降个过程中能够有一种置身于宇宙空间的体验。对于“升降飞碟”来说，在对其悬臂梁的结构设计时，首先要考虑其结构尺寸的具体参数，并科学的对相关重要零部件的尺寸进行调节。一般说来，在选择油缸尺寸结构时，要结合实际情况进行分析，找到合适尺寸的油缸。“升降飞碟”属于动力属性复杂、安全要求较高、结构强度大的大型游乐设备，通常会使用液压系统作为其主要驱动力量，只有这样，才能使“升降飞碟”在较大范围内实现无极调速，同时保证运行的稳定性，并且在连续的转向运动中可以最大限度的降低振动，所以，液压油缸是一个比较明智和稳妥的选择。另外，对于油缸的安装，主要涉及耳板销轴和支座结构的选择问题，耳环支座是液压油缸的主要衔接部件。

二、三维建模与结构优化

当前，信息技术飞速发展，传统的手工计算方式已经逐渐被机械结构设计所取代，设计流程也更加全面和完善，实现了进一步的优化。一般说来，优化机械设计主要是指按照标准的设计需求，借助计算机技术或者其他辅助工具来对可控变量进行建模，或者进行自动设计，并在此基础上选择最佳的设计方案。现阶段，SolidWorks和UG等计算机辅助软件设计平台已经先后在建筑工程、航空航天和机械设计等领域进行了推广和使用[1]。应用参数化设计理念，不但可以对问题部件进行有效的优化和改进，还能根据机械部件的尺寸调整其整体结构，使得设计周期缩短、设备结构也更加合理，从而达到了降低成本的效果。

（一）挑臂梁三维建模

一般说来，箱梁结构自身重量较小，并且工艺结构比较简单方便，具有较强的承载能力，所以，选择箱梁结构作为挑臂梁的基本架构是十分合理的。上文中提到的“升降飞碟”这一大型游乐设备的挑臂梁设计主要使用了厚度达到10毫米的钢材，并对钢材进行焊接处理。由于，在游乐设备启动和运行环节中，液压油缸和挑臂梁的接口处受力最为严重，所以，要想对设备在运行过程中的水平应力进行有效分担，加强挑臂梁结构的稳定性，提升强度结构，就需要在二者衔接的地方加装吊耳装置对载荷进行分担。在SolidWorks软件的辅助支持下，我们可以对游乐设备挑臂梁进行整体建模。

在高速运行过程中，游乐设备很容易变形，使得其结构强度发生变化，进而带来安全问题，所以，在挑臂梁内部加装隔板很有必要，这样可以强化挑臂梁的强度，防止因油缸推力过大而发生变形的现象。结合这类设备的具体应用情况，我们可以使用12毫米厚的隔板来对内部强度进行优化。另外，为了防止因高速运转损坏零部件事件的发生，还要对耳板连接件进行加固处理，通常可以使用注销紧固螺栓来固定耳板。

（二）挑臂梁結构优化设计

结构优化设计主要是指在设备的基本功能得到保障的前提下，通过调整相关零部件参数和对其结构进行优化设计来提高游乐设备的整体效益。进行机械结构优化，能够进一步降低成本和能耗，提高生产效率，还能提升其结构强度。在这里可以使用SolidWorks软件对游乐设备的结构进行优化设计。首先，要构建一个合适的模型，即对优化结构进行建模，在正确的算法下对相关函数实施迭代计算，然后对此进行整合，选出最佳的设计方案。在这里，优化机械结构模型需要从以下三个方面考虑，即设计变量、设计目标函数和约束条件。其中设计变量作为机械结构优化的基础要素，主要指通过对设计变量进行调节来观察计算结果的差异性，从而获得最有模型参数，比如，机械结构的角度和长度等[2]。目标函数指最终形成的优化目标；约束条件指的是在计算控制变量的过程中对模型状态的数据实施限制，比如位移距离和应力强度等。以“升降飞碟”这一游乐设备为了，在对其进行优化设计时，首先需要对挑臂梁的有限元进行分析，然后确定约束条件，计算出应力和变形情况，最后，使用数学模型进行更加深入的分析，并找出存在的安全隐患和可以进行优化的项目，从而得出计算结果并进行适当调整。这里的静力学分析需要实现穿件新的算例，然后选择应用材料，在此基础上添加夹具变量，最终定义网络参数。通过对挑臂梁进行静力学分析，我们可以生成新的算例并以挑臂梁的几何特征作为主要参数。

三、结语

综上所述，本文通过以“升降飞碟”这一大型游乐设备的挑臂梁设计作为参考，在设定原始参数的基础上，结合游乐设施设计理论和设计需求，对这种游乐设备的挑臂梁设计进行结构优化，然后对其中的各种零部件进行重新建模，从而有效的缩短了设计周期。在这一过程中通过使用SolidWorks软件，对游乐设备的结构进行静力学和动力学分析，活动最佳的参数组合方案，使其能够更好的满足国际化要求。

参考文献：

[1] 倪宝伟，华新，周青.关于大挑臂桥墩盖梁简化模型的精度验证[J].上海公路，2016，（12）：165-168.

[2] 梁绍佺.浅析大型游乐设施的虚拟仿真分析方法[J].中国科技博览，2016，（16）：172.

作者简介：刘勇 ，男，1989年2月出生 ，本科学历， 深圳华侨城卡乐技术有限公司， 机械设计工程师， 研究方向：游乐设施结构设计。

王志明，男，1987年7月出生 ，大专学历 ，深圳华侨城卡乐技术有限公司， 机械工程师， 研究方向：游乐设施结构设计。