游乐设备挑臂梁设计及其结构优化分析

龚耀明

摘要：本文以“升降飞碟”游乐设备的挑臂梁为研究对象，在设定的原始参数基础上，根据游乐设备的理论设计需求，对该设备的挑臂梁设计进行了结构优化，并重新对各零件进行建模，有效缩短了设计周期。利用SolidWorks软件，以国家标准及规范为依据，综合应用机械现代CAD技术，对其结构进行动力学分析和静力学分析，找出了最佳的参数组合方案，完成游乐设备挑臂梁的总体设计。为相关游乐设备的结构设计提供理论参考，并指出全新的结构优化思路。

关键词：游乐设备；挑臂梁设计；结构优化

1导言

在当代社会压力下，人们需要宣泄和释放压力，所以娱乐活动愈来愈受大家青睐，特别是惊险刺激的游乐活动，如过山车、升降飞碟等，这也就激发了游乐行业的发展。但由于我国游乐行业起步晚，發展技术仍不成熟，设备及技术更新缓慢导致依然存在很多安全隐患，对游客的安全也造成了不小的威胁，身边与之相关的安全事故也时有发生，因此如何有效提高游乐设备安全性及稳定性显得十分重要。基于此，本文就针对游乐设备挑臂梁设计及其结构优化展开分析。旨在同行参考借鉴。

2游乐设备的发展情况

游乐设备最早起源于欧洲，早期的游乐设备仅用于人们平时的休闲娱乐。就近几年游乐行业特别是游乐设备的发展来看，大型游乐设备的设计和制造不再局限于过去的主题公园等应用领域，而是随着现代城市综合体项目的进一步发展，与城市综合体相配套的大型游乐设施将成为未来游乐设备市场的需求热点。进入21世纪以来，游乐行业不仅在西方发达国家得到进一步发展，同时中国、南美等发展中国家的游乐设备需求也在快速增长，尤其是非洲、东南亚一些发展较缓慢的地区，游乐行业的增速远远超过其他地区，成为游乐设备销售的主战场。庞大的市场需求是大型游乐设备发展的强劲动力，同时也使得和游乐设备相配套的其他产品得到了快速发展。

3 分析游乐设备挑臂梁设计及其结构优化的意义

利用现代计算机设计方法对游乐设备进行设计时，要在保证其安全性能的前提下获取最大经济效益，特别是大型游乐设备的关键结构设计，必须以最危险工况条件下的动为学参数为参考依据对其进行分析设计。因为大型游乐设备与一般的游艺设备不同，它是一种既刺激惊险，又要保证其运行安全的机械。而由于缺乏完善的安全法规及相关技术标准，导致游乐设备制造，设计不合理，再加上运行单位安全意识不足和质检机构对陈旧游乐设备不按时进行安全评估等一系列的问题，从而引发安全事故。利用现代CAD技术可以对各种游乐设备的关键零部件进行动力学分析并对其进行参数优化设计，从而在物理样机生产之前检查设备设计的合理性，进行产品性能和可行性分析，并针对一些不符合要求的结构进一步优化设计。

4游乐设备升降飞碟的关键零部件结构设计

“升降飞碟”的结构设置比较复杂，属于大型游乐设备，在设备启动时，悬臂梁不但呈顺时针高速旋转，而且还会上下升降带给游客如同置于宇宙空间的体验。对“升降飞碟”悬臂梁的结构设计要第一明确其结构尺寸的具体参数，并对其重要零部件的尺寸进行调节。油缸尺寸结构的选定要结合实际情况来制定。对于“升降飞碟”这种结构强度大、动力属性复杂、安全要求极高的设备，一般都会采用液压系统作为驱动动力，才能使“升降飞碟”实现大范围的无极调速并保持一定的稳定性，在连续性的转向运动中依然要尽可能的降低震动，所以选用液压油缸作为驱动系统是较为稳妥的选择。油缸的安装主要是支座结构与耳板销轴的选定问题，其中液压油缸的主要衔接部件是耳环支座。

5游乐设备升降飞碟的三维建模与结构优化

5.1挑臂梁三维建模

箱梁结构的自重较轻，且工艺结构简单方便，加上承载能力较强，所以挑臂梁的基本架构选择箱梁结构。本文所研究的“升降飞碟”游乐设备的挑臂梁设计采用了10mm厚的钢材焊接。由于游乐设备在运行过程中，液压油缸与挑臂梁的衔接处受力最为严重，所以为了有效分担游乐设备在高速运动过程中产生的水平应力，提升挑臂梁的结构强度与稳定性，可在衔接处加装吊耳装置来分散载荷。通过SolidWorks软件平台的辅助，我们可实现对游乐设备挑臂梁的整体建模。

由于设备高速高速运动下易产生形变威胁到结构强度和安全性，所以可通过在挑臂梁内加装内部隔板来强化挑臂梁强度，避免因油缸推力过大而引发的形变现象。依据该设备的具体应用情况，设计团队最终选择使用12mm的横向隔板来加强内部强度配置。另外，为了避免游乐设备在高速运转情况下出现零部件的损坏，需要进一步对耳板连接件进行紧固，可采用柱销紧固螺栓对耳板进行固定。

5.2挑臂梁结构优化设计

所谓机械结构优化，是指在保障机械设备基本功能性的前提下，通过对其结构设计的优化或零部件结构参数的调整来强化其整体效益的过程。通过机械结构优化，可有效降低加工成本和能耗，提升生产效率，且进一步提升其结构强度。可使用SolidWorks软件平台的优化设计功能对游乐设备进行结构优化。

5.2.1需要先构建一个模型，也就是对优化结构进行建模，在优化算法下对所有函数进行迭代计算，再通过整合来获得最佳设计方案。优化机械结构模型需要对3个方面进行优化：分别是设计变量、目标函数与约束条件。

5.2.1.1设计变量是机械结构的基本要素，通过调节设计变量并观察和计算结果的差异，就能够获得最优的模型参数，比如机械结构的长宽、角度等。

5.2.1.2目标函数指的是最终的优化目标；

5.2.1.3约束条件是在计算控制变量过程中对结构性能及模型状态的数据限制，比如应力强度、位移距离等。在对“升降飞碟”游乐设备进行优化设计的过程中，需要首先进行挑臂梁的静力学分析（有限元），进而确定约束条件，算出应力和变形情况；

5.2.2对挑臂梁应力变化的极值进行计算，进而求得应力分布情况；

5.2.3通过对数学模型的详尽分析，找出当前结构设计中存在的隐患和可以优化的项目，并依据计算结果进行调整。静力学分析首先要创建新算例，其次要对应用材料进行选择，再添加夹具变量的计算，最后定义网格参数。

6结语

综上可知，本文以游乐设备的挑臂梁设计为切入点，运用多种设计软件，结合CAD技术对其进行结构优化和仿真分析。通过对挑臂梁的结构优化，使其质量下降了16.8%，但安全系数比设计标准超出0.7（设计标准3.5），完全满足设计需求，实现了承载力和安全性的双赢。最后还可使用SolidWorks自带的设计库功能进行建模，对标准件应用进行优化，进一步提升挑臂梁设计的质量。

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].2016.

[2]梁绍佺.浅析大型游乐设施的虚拟仿真分析方法[J].2016.

（作者单位：海长隆投资发展有限公司海洋王国 ）