浅析有限元法在水滑梯结构分析上的应用

卢东梅

摘 要：目前，休闲娱乐业中悄然兴起了一些戏水项目。在这些戏水项目中，滑梯是水上游乐设施中最常见的设备，其结构稳定性、安全性至关重要，传统的力学分析已经满足不了对滑梯结构的全面分析。因此，在结构分析过程中引入了有限元法。就有限元法在水滑梯结构分析中的应用进行了简单介绍。

关键词：有限元法；滑梯结构分析；水滑梯；Ansys

中图分类号：O241 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.079

文章编号：2095-6835（2015）15-0079-02

有限元分析是利用与数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟的，是用较简单的问题代替复杂问题后再求解的方法。水滑梯的轨迹、造型是不规则的，导致结构和组合荷载分析相当复杂。保证滑梯结构在各种荷载工况的作用下的安全是至关重要的，单单依靠传统的工程力学、材料力学计算的偏差相当大，且很多时候会出现无法套用理论的情况。因此，在滑梯结构分析时引入了有限元法分析。

1 有限元单元法

目前，流行的CAE分析软件主要有Nastran、Marc和Cosmos等。本公司使用的是Ansys。

2 水滑梯结构分析的特点

水滑梯是供游人滑行的设备，其结构的安全性、稳定性非常重要。其属于大型游乐设施中的水上游乐设施，属于特种设备的范畴，等级为B级，每台套设备均要经过中国特种设备检测院的检查、检测和验收，出具合格证后方可使用。水滑梯大部分安装在室外，自然环境对滑梯结构的影响很大。因此，在滑梯设计阶段，必须对其结构进行强度、刚度、疲劳强度、稳定性、抗倾覆性和防侧滑性计算分析，达到相应规范要求的安全系数，编写正规的计算说明书，并由中国特种设备检测院具有相应资质的工程师审核，出具鉴定报告后方能投产。首套设备必须由中国特种设备检测院专业的、具有相应资质的工程师现场检验，出具型式试验报告后方能使用和批量生产。

对水滑梯结构进行计算分析时，必须考虑永久荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载和冲击荷载。永久荷载在水滑梯中一般为滑梯的自重；活荷载指乘坐人本身的荷载和水荷载（流动水）；风荷载分为工作状态荷载和非工作状态荷载，游乐设施的设计中按最大运行风速15 m/s计算工作状态的风荷载，非工作状态按设备安装地50年一遇的最大风荷载计算；雪荷载按设备安装地50年一遇的最大风荷载计算；计算地震载荷时，按设防烈度8度，相当于设计基本加速度0.2 g计算；计算冲击荷载时，游乐设施在运动过程中有可能出现冲击，设计时一般无法准确计算。因此，在进行强度计算时，其永久荷载和活荷载必须乘以冲击系数K.在水滑梯中根据其最大速度，选用冲击系数相应的冲击系数。

因此，工作状态时应考虑永久荷载、活荷载、风荷载、冲击荷载；非工作状态时应考虑永久荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载。

3 有限元法在水滑梯结构分析上的应用

水滑梯结构包括玻璃钢滑道、钢结构、混凝土基础三大部分。鉴于水滑梯结构的特殊性、重要性、复杂性，在水滑梯结

构分析上引入了有限元方法。引入后，彻底改变了传统分析方法，使受力分析更精确、更全面，其主要作用为校核和优化设计。我公司采用的软件是Ansys，利用通用有限元法校核了多种工况下设备的强度。在软件中，采取了beam单元、Shell单元对结构进行近似简化，图1为简化后的有限元模型。

在有限元模型材料类型可以定义玻璃钢滑道、钢结构的材质，根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，可找出单元节点力和节点位移的关系式。根据滑梯结构分析的要求，分别采用滑梯的工作状态和非工作状态各自的荷载对滑梯的不同位置进行加载，得出滑梯的变形和应力值。通过材料的力学特性，可以得出各部位、零件的受力值、位移值、应力值，并套用相应的几何方程和物理方程，得出受力构件的应力值、扰度，与相应的标注值对比（包括安全系数），进而得出结论是否合格。如果不合格，则调整该部位零件的结构、材质和规格。以下为已审核合格的滑梯结构分析实例（只抽取一小部分）。

3.1 整体分析

主要校核玻璃钢滑道和立柱强度，表1列出了2种材料的属性，在有限元模型材料类型定义中体现。

表1 材料属性

3.2 载荷分析

自重：滑道最大速度为16.44 m/s（能量守恒定律计算），即得冲击系数K=2，在软件加荷载时活载荷和永久载荷（结构重力）应乘以冲击系数2.

水重：滑槽半径r=0.4 m，滑槽水膜深度h=0.008 m，计算得水重为40 N/m。根据GB/T1 8168—2008规定，因滑道内流动水的荷载<0.20 N/m，按0.2 kN/m的2倍均布加载。

侧向风载：运行工况为最大运行风速V=15 m/s，基本风压为140 N/m2，施加于侧向（最不利方向）。

乘客：单人身体滑行750 N（规范规定）。

惯性力：忽略滑行阻力，高差H=16 m，根据能量守恒，最大速度为16.44 m/s。最低点半径约为12 m，离心加速度a=2.25 g，因此滑道受到最大载荷（叠加冲击系数）F=1.47 kN。

加载说明：状态1～3为固定加载，为了方便分析，用最大载荷F代替乘客滑行到不同位置的载荷，结果更为保守。

3.3 加载和分析计算

分别取5个典型位置进行惯性力加载，以下是其中应变最大的状态，加载图如图2所示，变形图如图3所示，滑道应力图如图4所示，立柱应力图如图5所示，立柱支反力和弯矩如图6所示，立柱支反力和弯矩数据如表2所示。

3.4 结果分析

综上5个状态所述，正常运行工况下最大变形量为20 mm；玻璃钢滑道的最大应力为23 MPa，发生在与高平台中段连接的位置；钢结构最大应力为83 MPa，发生在立柱、支臂与滑道的连接位置。通过对玻璃钢刚度、强度校核、钢结构强度校核、立柱的刚度计算校核和立柱的稳定性计算，其结果均符合技术规范要求。

表2 立柱支反力和弯矩数据

4 结束语

有限元法适用于水滑梯中的各种复杂结构，成为了行之有效的工程分析手段之一。其基于水滑梯结构的特殊性、重要性、复杂性，彻底改变了传统分析方法，使受力分析更精确、更全面，更利于滑梯结构校核和设计优化。

参考文献

[1]赵兴奎.有限元及软件ANSYS简介[J].水利科技与经济，2004（03）.

〔编辑：张思楠〕