基于SolidWorks Motion大型回转游乐设备动力学仿真分析

1 引言

    在初始设计阶段，依据设备各部分的质量及静载荷假设，求出主要部件在不同工况下的受力情况是首要工作。由于大型回转游乐设备结构及工况都比较复杂，采用传统方法求出关键构件及主要连接副的精确受力情况是比较麻烦的。随着虚拟样机技术的发展，在复杂设备的初始设计阶段，采用计算机刚体动力学分析方法，求出关键点在各工况时间的受力情况，是一种很好的设计手段。根据中国特种设备检测研究院制定的游乐设施设计要求的建议，对运动型式特别复杂的游乐设施，运动状态和受力情况宜采用虚拟样机的手段进行模拟分析。以大型回转游乐设备(海盗船)为对象，利用SolidWorks Motion模块，运用其与SolidWorks无缝结合优势，在最危险工况下，对设备进行刚体动力学分析，探索更为快速准确的设备初始设计参数确定方法。

2 刚体动力学模型建立

2.1 基本结构参数

    回转式游乐设备结构繁杂，在初始设计阶段，不能得到较为完整的设备参数，因此建立初始虚拟样机模型，必须进行必要的简化及假定，只要不影响部件的运动及配合关系，假定的运动、零部件质量、阻尼等参数不会对后期的强度分析有不利影响，所进行的简化及假定即认为是有效的。根据需求，所设计的海盗船基本参数，如表1所示。

    表1 海盗船的基本参数

    海盗船基本结构可以简化为支架、主轴、悬挂臂、船体4部分组成，如图1所示。其中，支架为2个左右对称结构，采用钢管焊接而成，底部地脚固定，主轴假定为圆钢，悬挂臂由钢管焊接而成，船体主体结构为箱梁，由钢板焊接而成。经过初步计算和假定的质量参数及连接关系，如表2所示。

    图1 游乐设备刚体动力学简图

    表2 各构件质量参数及连接关系(kg)

2.2 动力学仿真模型建立

    首先依据总体结构尺寸，创建船体实体模型等构建实体模型，并分别设置质量特陛，并进行几何样机的装配，建立装配体模型。在此基础上，进行动力学模型的建立。

    (1)给算例添加引力，默认系统坐标系，设定引力为y轴负方向，参数为9.8m／s2；

    (2)选定零部件之间的连结接触，接触类型为实体，选择使用接触组，组1为支撑杆，组2为悬挂臂；

    (3)模拟支撑杆与悬挂臂的接触为轴与滑动轴承传动，其接触面材料假定为钢与轴承合金，动态摩擦临界速度v_k为10mm／s，动摩擦系数u_k为0.04,静摩擦临界速度v_k为0.1mm／s，静摩擦系数u_k为0.06；

    (4)设定船体初始位置为船体对称中心面与竖直面夹角为70°，此角度为船体的最大设计摆角，初始速度为0。

    由于总体阻尼只减小船体的运动速度，对受力影响较小，因此初步分析阶段可以不考虑空气阻尼的影响。

3 运动仿真分析

3.1 运行参数设定

    每当遇到大型装配体时Motion分析有时需要很长时间，这时可适当修改装配体运动算例属性，调整精度等级，快速得到分析结果。点击运动算例屙性，Motion分析每秒帧数选定25，接触精确度0.0001，在Motion高级选项里选择GSTIFF积分类型，最大迭代25，仿真时间为一个周期7.40s，点击计算运动算例求解分析。

3.2 结果提取及分析

3.2.1 提取线性速度、加速度

    点击结果和图解选项，在结果中选取速度/位移/加速度，在子类别中分别选取线性速度和加速度，在结果分量一栏选幅值，选择船体上面，默认系统坐标系，得到图解，如图2、图3所示。

3.2.2 提取各接触构件相互作用力

    点击结果和图解选项，在结果中分别选取力，在子类别中选取反作用力，在结果分量一栏选幅值，选取支架坐标系，分别选取各连接副配合关系，得到图解，如图4、图6所示。仿真分析数据，如表3所示。

    表3 仿真分析数据(kg）

    综上所得，船体运行中最大加速度值为6.6m／s2。单侧支撑架对地面基础最大作用力为船体摆动方向( 方向)63.1KN，侧向作用力（z方向)11.7KN，竖直方向(Y方向)160KN。船体吊杆收到的拉力最大为93.6KN。依据这些数据，后继可以进一步完成支撑结构，船体吊挂结构，基础结构，以及主轴结构的设计。如果后继设计结构在质量上大于前面的质量假设，可重新修改质量属性。再进行分析计算，最终得到满意结果。

4 结论

    作为大型游乐设备的初始设计，研究利用SolidWorks Motion模块与SolidWorks无缝结合特点，在SolidWorks平台下，完成实体模型建立与动力学分析任务。该方法不需要在不同软件工具之间进行复杂的模型转化过程，简化设计过程，加快设计速度，为相似设备的快速设计提供一种快捷手段。通过动力学仿真，得到刚体动力学模型在最大载荷工况下的速度、加速度以及各构件接触的时间一变化曲线，为后继结构设计，提供必要的数据支撑，并以此来不断优化结构设计。通过设计研究，对初始质量参数的假设，各结构的链接关系设定对分析结果影响较大，准确进行质量参数的设定，正确设置链接关系，是得到准确分析结果的关键。进一步研究可以利用“设计算例”，结合参数化设计方法，完成结构参数与动力学参数的自动求解。