花志雄

摘要：本文结合笔者在兰州万达城开发有限公司中的工作实践，以自控飞机类游乐设备中的“升降飞碟”设备为例，将其中的悬挑梁结构的参数调整为高度为240毫米、宽度为220毫米、质量为309.125千克。并对优化后的挑臂梁结构展开虚拟样机检验，结果为：在结构优化设计后，挑臂梁自重降低，且该结构的安全系数与强度均达到自控飞机类游乐设施的设计标准要求。

关键词：游乐设备;挑臂梁;虚拟样机检验

1.游乐设备概述

当前，游乐设备的种类更为多样，本研究主要选取了自控飞机类游乐设备中的“升降飞碟”设备为对象。根据《自控飞机类游乐设施通用技术条件》（GB/T 18163-2020）中的相关规定，确定出升降飞碟设备的基本设计参数如下所示：乘员数量为4;载重量为250千克;挑臂梁长度为4875毫米;回转直径不低于10;升降角度为30°;驱动形式为液压油缸;挑梁形式为碳素合金钢（Q235B）。

在模拟运行中，可以将乘客与座椅视为一个整体。在升降飞碟设备运行中的，该结构整体（乘客+座椅）会受到重力与离心力的影响，这些力需要挑臂梁承受。同时，座椅在升降飞碟设备运行时还对发生位置变化，因此相应的受力也发生改变。结合上述参数，可以计算得出升降飞碟设备上升至30°时，乘客与座椅结构整体所产生的离心力为770N;根据平衡方程，得到在升降飞碟设备上升至最高点时，连接处受到的应力最大达到12450N。

2.游乐设备挑的臂梁三维建模与优化设计

2.1挑臂梁结构三维建模

出于对满足承载以及减轻自重的双重考量，本次设计中选用8毫米厚度的钢板焊接成挑臂梁，并在其上方设置可以连接油缸的吊耳。受力最大的区域为油缸与挑臂梁吊耳连接处所承受的力，因此在油缸与腹板连接区域设置弧形吊耳装置，能够在保证挑臂梁承受较大荷载的基础上实现应力分散。为了避免油缸推力过大的问题发生，降低挑臂梁腹板产生变形的概率，在本次设计中引入了挑臂梁内部搁板结构。设计中，选用了横向隔板，厚度控制在10毫米。本升降飞碟设备中的挑臂梁高度为240毫米，因此在相应下腹板区域内设置4个横向隔板。为了进一步避免挑臂梁变形，同时引入了横隔板，控制相邻横隔板之间的间距为300毫米。

在进行悬臂梁的三维建模过程中，使用的软件为SoildWorks，结合拉伸、切除等命令操作完成挑臂梁的实体建模[1]。

2.2优化设计

本次升降飞碟设备的挑臂梁优化设计中，主要引入的要点内容如下所示：控制挑臂梁两端轴孔之间的中心距保持稳定，参考挑臂梁高度、宽度、板材厚度变量，完成其长度范围的分别定义，将步长设定为1毫米;为了确保升降飞碟设备中挑臂梁结构的最小安全系数不低于3.5，需要将相应结构所承受的应力设置为67MPa;本次结构优化设计的主要目标为保证挑臂梁承载力满足要求的基础上降低结构自重，因此主要将挑臂梁质量最小化设定为优化设计目标。

总体来说，在挑臂梁结构的高度稳定在240毫米、宽度稳定在220毫米、壁厚稳定在6毫米的条件下，最大应力达到56.014MPa，相比于材料屈服强度（235MPa）更小。相对应的，结构自重有所下降，由原有的366.067千克降低至301.174千克。同时，优化后的挑臂梁结构最小安全系数为4.2，满足不低于3.5的要求。

2.3吊耳结构的确定与优化

为了避免发生应力集中的问题，在本次设计中主要经耳板设计为类似于扇形的形状。同时，出于对挑臂梁强度的考量，对耳板结构展开优化设计，具体有：在耳板长度稳定在608毫米、耳板外圆半径稳定在109毫米、耳板左侧钢板与水平夹角为50°的条件下，耳板所受的最大应力达到58.514MPa，相比于材料屈服强度（235MPa）更小。

在挑臂梁结构中，耳板腹板位置所受的应力最大，由于箱梁腹板承受较大压力容易失稳，因此在本次设计中主要在挑臂梁内部焊接加强筋板，以此达到分散应力、增加挑臂梁结构稳定性的效果。设计中，在挑臂梁吊耳附近区域加焊了4个厚度为l0毫米的强筋板，实现挑臂梁强度的进一步增强。

2.4标准件的应用

在升降飞碟设备悬挑梁的结构设计中，使用的零件大多为标准件，因此在建立结构三维模型的过程中，可以直接从标准件库中调取标准件数据，降低挑臂梁结构三维建模的时长，提升结构设计效率。在本次设计中，选用的软件为SoildWorks，其中包含着螺母、螺栓与螺钉、轴承、密封件、异形孔向导孔等标准件参数，在实际的设计过程中由“设计库”中直接调取即可。

3.结构优化设计的虚拟样机检验

3.1虚拟样机检验

使用CAD软件建立起相应挑臂梁结构虚拟模型，展开虚拟样机检验，确定升降飞碟运行中挑臂梁结构可能会发生的问题，实现对相应结构的进一步改进，明确优化设计后的结构稳定性与可靠性[3]。在虚拟样机检验中，输入的升降飞碟挑臂梁结构优化参数为：挑臂梁高度为240毫米、挑臂梁宽度为220毫米、挑臂梁质量为309.125千克。还要输入升降飞碟设备挑臂梁结构优化前的参数，形成优化设计前模型，相应参数具体为：挑臂梁高度为250毫米、挑臂梁宽度为230毫米、挑臂梁质量为400千克。

同时，在设定动力学参数的过程中，落实的要点为：挑臂梁钢材的型号为Q-235B，根据挑臂梁结构的优化设计后质量，确定“乘客+座椅”结构的质量为300千克;設定引力方向为竖直向下，大小为12m/s2;设定零部件之间的接触类型为实体接触。另外，将升降飞碟设备挑臂梁结构的仿真模拟运行时间设定为20秒，并将Motion分析时每秒帧数设定为25。基于上述条件，构建挑臂梁结构优化设计前后的虚拟模型，分别进行仿真运行，并对比两模型运行的最终数据结果。

3.2结果分析

经过仿真模拟运行，得到的升降飞碟设备挑臂梁关键部位受力数据如下所示：在优化设计前，挑臂梁轴端受力X方向为7990N、Y方向为11067N、Z方向为753N;油缸对悬挑梁的作用力X方向为21118N、Y方向为17845N;座椅对梁的作用力X方向为14963N、Y方向为4458N、Z方向为503N。在优化设计后，挑臂梁轴端受力X方向为3200N、Y方向为6875N、Z方向为731N;油缸对悬挑梁的作用力X方向为19268N、Y方向为13799N;座椅对梁的作用力X方向为12767N、Y方向为3911N、Z方向为515N。

依托上述数据结果能够了解到，在结构优化设计后，升降飞碟设备的挑臂梁关键部位受力最大值较假定分析时表现出更小的结果，且挑臂梁质量较小，保证了挑臂梁结构在质量较小的同时所受应力较小的设计要求;在完成挑臂梁结构的优化后，升降飞碟设备的挑臂梁质量较假定的挑臂梁质量相差22.70l，在允许误差范围内。优化后的挑臂梁的质心位置为（2565.651，-52.519 0），与假定挑臂梁质心位置相差较小，符合要求。

综合来说，经过优化设计后，升降飞碟设备挑臂梁结构的自重降低，结构运行可靠性与稳定性提升，关键点受力降低，该结构的安全系数与强度均达到自控飞机类游乐设施的设计标准要求。

总结：综上所述，使用SoildWorks软件对升降飞碟设备中的悬挑梁结构展开三维建模与优化设计，将悬挑梁结构的参数调整为挑臂梁高度为240毫米、挑臂梁宽度为220毫米、挑臂梁质量为309.125千克。经过基于CAD软件的虚拟样机检验，得到的仿真运行结果为：在结构优化设计后，挑臂梁质量较小，保证了挑臂梁结构在质量较小的同时所受应力较小的设计要求;经过优化设计后，挑臂梁关键点受力降低，相应结构的安全系数与强度均达到自控飞机类游乐设施的设计标准要求。