30米观览车结构的安全性分析-学位论文.doc

本科生毕业论文论 文 题 目30米观览车结构的安全性分析姓名顾 睿 洋指导教师沈 纪 苹学院名称城市轨道交通学院年级/专业2010级车辆工程论文提交日期2014年5月目 录摘要.1ABSTRACT.2第1章 绪论.31.1 观览车发展概况.3 1.1.1 观览车的兴起.3 1.1.2 国外观览车建设概况.3 1.1.3 我国观览车建设概况.4 1.1.4 观览车的发展趋势.4 1.2 观览车的结构体系以及施工方法.5 1.2.1 观览车的结构体系.5 1.2.2 观览车的施工方法.61.3 国内外研究现状.61.4 本文研究的主要内容、目标.6第2章 30米观览车的结构分析及建模过程.82.1 观览车结构分析.8 2.1.1 技术要求.8 2.1.2 结构分析.82.2 建模.9 2.2.1 SolidWorks软件介绍.9 2.2.2 建模过程.92.3 本章小结.13III第3章 静力学分析.143.1 有限元方法和ANSYS Workbench概述.143.2 模型基本信息.14 3.2.1 模型简化.14 3.2.2 导入几何模型.15 3.2.3 添加材料信息.16 3.2.4 设定接触选项.17 3.2.5 设定网格划分参数并进行网格划分.17 3.2.6 选择分析类型.18 3.2.7 施加载荷和约束.18 3.2.8 设定求解（结果参数）.19 3.2.9 求解并观察求解结果.193.3 不同工况结果分析.19 3.3.1 满载工况.20 3.3.2 1/2偏客载工况.21 3.3.3 1/4偏客载工况.23 3.3.4 满载+15m/s风载工况.25 3.3.5 极限风载工况.26 3.4 本章小结.29第4章 模态分析.304.1 模态分析概述.30 4.1.1 模态分析原理.30 4.1.2 模态分析作用和目的.304.2 观览车结构的模态分析.31 4.2.1 模态分析步骤.31 4.2.2 模态分析振型图.31 4.3 本章小结.33第5章 总结与展望.34 5.1总结.34 5.2展望.34参考文献.36致谢.37附录1 任务书附录2 中期检查表附录3 文献综述附录4 外文文献资料、中文翻译稿附录5 答辩记录表附录6 成绩评定表苏州大学本科生毕业设计（论文）摘 要随着经济发展、人民生活水平提高，游乐业得到了飞速发展。观览车作为典型的大型游乐设施在游乐园占据着重要地位。观览车与人群直接接触，常常是游乐园游人最为集中的地方。一旦发生事故传播面和影响都非常大，而且随着观览车向着大型化发展，其安全性显得尤为突出。近些年由于观览车运行管理不当或故障引起的事故时有发生,有些甚至导致人身伤亡，有必要建立完善的检测机制以确保设施能够安全运行。本文以30米观览车为研究对象，在结构分析、建模基础上进行有限元分析，通过施加不同载荷模拟不同工况下观览车运行安全与否，主要研究内容和结论如下：1、结构分析和建模。通过阅读文献了解观览车主要结构，针对具体给定的30米观览车零件图建立三维实体模型。2、静力学分析。根据力学分析要求对实体模型行简化，得到有限元模型，通过施加不同载荷模拟不同工况，计算应力应变、总位移，得出极限风载下依然满足结构强度、刚度要求。其中中心轴、前后立柱支架第一层、转盘外圈这些部位应力应变和总位移较大。3、模态分析。对观览车的固有频率进行分析，确定不同载荷作用下的振型以及结构上的不稳定环节。通过对不稳定因素的分析，避免不稳定结构的设计。关键词：观览车；强度；刚度；模态；ANSYS；SolidWorks- 1 -苏州大学本科生毕业设计（论文）Safety Analysis of 30m Ferris Wheels StructureABSTRACTWith the development of economics and the improvement of peoples living standards, amusement industry has been rapidly developed. As a typical large-scale recreational facilities, ferris wheel occupies an important position in amusement park. Theses facilities are in direct contact with the crowd. Once the accidents occured, the impact is very large. And with high-speed development of large-scale ferris wheel, its security is particularly important. Accidents or failures in the management in recent years often occured and cause some people injury. Its necessary to establish a sound detection mechanisms to ensure the safe operation of facilities. In this paper, we take 30 m Ferris wheel for the study. Based on the structural analysis and modeling, we analyse structures safety by applying different loads in different conditions. Main contents and conclusions are as follows: 1.Structural analysis and modeling. By document study we know main structure of Ferris wheel, and build three-dimensional solid model of specific given 30m Ferris wheel.2.Static analysis. According to requires of mechanics analysis, we simplify the model and get the finite element model. By applying different loads to simulate different conditions,we get the results of stress、strain and total deformation and analyse the strength and stiffness of structural.3. Modal analysis. By natural frequency analysis of ferris wheel, we determine the vibration mode and the unstable part of the structure under different loads. By analysis of instability, we can avoid unstable structure in design.Keywords : Ferris wheel；Strength；Stiffness；Modal；ANSYS；SolidWorks- 2 -苏州大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 观览车发展概况1.1.1 观览车的兴起世界上最早的观览车于1893年在美国建成，由美国著名钢结构设计师George Ferris设计。该观览车为与法国埃菲尔铁塔竞争而特意在芝加哥世博会前建造，共264英尺高，重达46.5吨，有36个乘用车厢，每个车厢可容纳40至60人，旋转一周20分钟，由两个1000马力的蒸汽引擎带动和超大的空气制动停止。该观览车在当时引起了很大轰动，不但吸引数以万计的游客前来参观、乘坐，而且为当地带来相当可观的经济收入。这也是之后观览车在世界各地游乐园中占据重要位置的原因。正是由于George Ferris的成功，日后人们皆以Ferris Wheel来称呼这种设施。1.1.2 国外观览车建设概况 19世纪除了George Ferris设计的摩天轮外，还有维也纳摩天轮。该摩天轮兴建于1897年，是为了向皇帝费朗茨约瑟夫一世的金禧庆典献礼，总高64.75米，包含30个座舱，是维也纳最受欢迎的旅游景点。当然其他国家也相继建造摩天轮，如法国、日本、英国、新加坡等。图1.1为英国伦敦眼，图1.2为新加坡摩天观景轮。 图1.1 英国伦敦眼 图1.2 新加坡摩天观景轮日本目前在运营之中的摩天轮超过130个，几乎每个大都市都将其作为一个著名景观，如横滨的著名取景宇宙时钟21摩天轮、千叶的葛西临海公园钻石与花摩天轮、福冈的天空之梦福冈等。曾经拥有世界第一高度的观景摩天轮英国伦敦眼建成后名噪一时，其独特魅力也延续至今。该摩天轮位于泰晤士河畔，于1999年底建成开放，有135米高，共设32个座舱，内部设有空调，每个座舱大约可以承载15名游客。每次乘坐伦敦眼的游客可以享受30分钟的愉快时光，在其最高处也能够俯瞰伦敦全景。此外还有新加坡的摩天观景轮、法国的巴黎摩天轮等，都是当地的地标之一。1.1.3 我国观览车建设概况我国观览车在上个世纪80年代才陆续开始建造。相比国外观览车的发展情况，无论是从高度、直径或是载客量来说我国观览车的技术指标都很小，在游乐设施中也不能占到举足轻重的地位，吸引的客流量也很少。但是随着现代化的进程，人们生活水平的提高，休闲娱乐设施的更新，越来越多的摩天轮已成为或正在成为城市的重要景点，特别是最近15年内建成的摩天轮规模都很大。我国首座高度达百米以上的大型摩天轮上海大转盘于2002年建成开幕，该摩天轮的建成标志着我国摩天轮设施建设步入高速化和大型化。之后相继有众多独创性的摩天轮问世，例如全球第一个采用桁架钢索结构的哈尔滨游乐园摩天轮，拥有世界上最高倾斜轨道的摩天轮广州塔摩天轮；中国曾建第一高、已建第二高的摩天轮南昌之星（如图1.3所示）；世界最大、国内唯一的无辐式摩天轮常州摩天轮，世界最大的水上观景摩天轮苏州摩天轮（如图1.4所示）；技术难度最大的跨河桥梁永乐桥摩天轮等。 图1.3 南昌之星 图1.4 苏州摩天轮1.1.4 观览车的发展趋势伴随着社会的发展、科技的进步，观览车的建造水平不断提高。曾经很长时间内位居世界最大摩天轮宝座的、观景摩天轮设计先驱、距地总高达135米的英国伦敦眼在2006年被我国南昌市的南昌之星超过，南昌之星总高160米。然而不久之后的2008年3月份，新加坡建成的总高165米的摩天观景轮便将世界第一的宝座收入囊中，可见世界各地摩天轮的建设日新月异，似有争先恐后之感。当然上述涉及到的摩天轮只是冰山一角，还有众多大型摩天轮正在筹建，并都将陆续挑战世界之最的头衔。除了高度不断增加之外，舒适性、安全性、平稳性越来越成为当今摩天轮设计考虑的重要指标，而亲民的票价也使其逐渐成为人们出门游玩的主要选择之一。自摩天轮诞生以来，其独特的游乐、观光方式吸引了无数游客。摩天轮适合各种各样的年龄和社会阶层，由于其运营成本较低、载客量大的特点，可以带来十分显著的经济和社会效益。以举世闻名的英国伦敦眼为例，其开放的第一年就吸引了来自世界不同国家和地区的约300万人次的游客，以此带动了伦敦的旅游经济，经济效益增加了十个百分点，同时也间接促进了伦敦市的旅游就业率的提高，惠及上万人，投资成本在两年半内便轻松收回。而且伦敦眼成为伦敦地标之一，进一步提高了伦敦这座城市的国际知名度，伦敦市长特批长期保留伦敦眼。摩天轮的建设就像给城市注入了一剂强心针，不仅可以带来巨大的经济和社会效益，而且间接促进了其他相关行业发展。由于其具有相当大的载客能力，在吸引人流的同时也间接为周边餐饮娱乐、购物休闲带来了巨大商机。同时因其具有分流作用，也逐渐成为旅游景点、公众集散地的选择之一，附近交通、房地产开发也有很多升值潜力。1.2 观览车的结构体系以及施工方法1.2.1 观览车的结构体系观览车的结构体系可以分为以下三个部分：轮盘结构、立柱支承结构和驱动系统1。轮盘结构中以刚性、柔性和刚柔结合这三种形式最为常见。其中刚性结构形式指的是轮盘所有部位都运用桁架结构；柔性结构指的是转盘采用刚缆索体系；刚柔相结合形式指的是在以缆索为主要体系的基础上，对转盘结构适当增加部分数量的桁架。刚性结构体系能够在保证结构刚度的前提下简化施工，这一特性使得其大量运用于早期和现已建成的摩天轮结构中。但随着高强度缆索的发展和应用，运用其作为转盘主要体系能够相当程度上减轻结构重量，同时又避免了过多杆件给人以复杂的感觉。在这些优势的促进下，部分新建的观览车开始考虑采用刚缆索结构和缆索、桁架相结合的设计方法。立柱支承结构是观览车结构中十分重要的部分，主要形式便是两座由轮轴连接的铁塔，铁塔由4根柱子以及斜撑组成。该结构的典型代表之一便是美国的芝加哥观览车。此外英国伦敦眼创造的倒V型塔支撑结构也颇具代表性，该结构主体为两根底部铰接的立柱，因为在转盘一侧，所以设置有一定倾斜角度用以和转盘连接。驱动系统早期采用电气驱动。随着液压技术的发展和应用，液压驱动摩擦轮传动装置被推广开来。该传动装置与电气驱动相比具有明显优势：系统体积小、质量轻、维护保养方便、能耗省、运行成本低、设备安全可靠等。著名的英国伦敦眼便是运用该种传动装置。1.2.2 观览车的施工方法对于不同的结构形式和现场施工条件而言，观览车整体结构的施工技术和方法有很大区别。根据具体情况选择恰当的施工方案十分重要。目前，运用较多的观览车结构的施工方法有以下几种：地面拼装、整体吊装法、立面旋转安装法、中心旋转安装法。地面拼装、整体吊装法的典型代表便是英国伦敦眼。该施工方法是在工厂生产出可供组装的摩天轮轮缘钢结构，运送至施工现场进行组装，然后将内部的刚性桁架支撑或柔性钢缆索体系连接起来，最后通过整体吊装安装至指定地点。该方法能够保证安装精度，对于钢结构安装是有利的。但摩天轮结构规模和重量一般较大，所以需要较大的施工场地和较强的起吊能力。立面旋转安装法，是指先安装立柱支承和轮轴，然后通过临时刚性轮辐带动分段轮缘和钢索旋转安装的施工方法。该法主要用于柔性摩天轮结构体系，又包括单侧旋转安装法和双侧旋转安装法这两种方法。天津慈海桥摩天轮的结构施工便运用此方法。该方法避免了大量的高空作业，降低了施工过程的风险性；但对于施工设施来说，需要较大的牵引动力系统和良好的制动系统。必要时还需对观览车中心轴做特殊处理以适应两侧旋转安装法。中心旋转安装法，是指在安装完立柱支承和中心轴的基础上，通过立柱支承设置工作平台，或利用起吊系统从中心向外围逐圈安装观览车轮盘结构体系。该方法运用于中、小型观览车。1.3 国内外研究现状现阶段，对于观览车安全性分析主要集中于结构强度、刚度方面。如沈之容1进行了摩天轮结构风振控制研究；王亲猛2通过动态测试，得出某大型观览车在满载和空载下关键部位的工作应力；王进3对ANSYS在大型观览车设计中的应用进行了分析；于秀坤4针对观览车结构强度进行了有限元分析；邢素芳5运用MSC.Nastran对摩天轮结构进行仿真分析；李海锋6对摩天轮初始结构缺陷的敏感度进行比较分析。这些研究主要针对柔性观览车。对于桁架钢索混合型结构以及全桁架结构的研究还比较少。1.4本文研究的主要内容、目标本文针对30米观览车进行安全性分析。因观览车结构复杂，安全性能受到许多因素的影响，且无法实地实时测量其工作时的应力应变情况以及应对极端天气时的安全性，故本文主要进行理论研究，内容主要表现在以下3个方面：（1）结构分析。由于观览车结构复杂，不同部件对安全性影响程度不同。需要对其整体结构进行调研，总结其主要结构形式、类型及特点，为详细的理论分析建模做基础准备。（2）建立理论模型。针对具体给定的30米观览车建立各部件的力学模型，给出其基本条件和简化条件。在简化模型的基础上对各结构或整体结构利用SolidWorks进行建模。（3）有限元分析。运用有限元分析软件，定义各部件材料参数，类型，施加不同载荷和约束，计算其应力应变情况，并对观览车的模态进行分析，确定不同阶次模态下的频率和振型，得出结构上的不稳定环节。通过分析不稳定因素，避免不稳定结构的设计。- 7 -苏州大学本科生毕业设计（论文）第2章 30米观览车的结构分析及建模过程2.1 观览车结构分析2.1.1 技术要求观览车作为大型游乐设备，在游乐场里占据重要地位，涉及到的游客人员较多，其本身结构以及运行时的安全性显得十分关键。需要满足以下技术要求：（1）观览车需在符合GB8408-2008和GB18164-2008的相关规定下进行设计、制造、安装和使用等一系列过程；（2）观览车整体运转过程中应避免出现异常的振动、冲击、摆动、过热及噪声等现象；（3）主轴安装应满足公差要求，其中倾斜度2mm，转盘径向和断面圆跳动公差12mm。转盘运行过程中不允许明显下滑；（4）乘客易接触到的装饰照明电压应在安全电压范围内，采用50V的安全电压。避雷针接地电阻10 ；（5）机械传动系统安装精度须符合相关规定，运行平稳可靠；（6）观览车的外观应美观大方、鲜明醒目。不得有影响运行的造型、装饰物；（7）极端天气时（如风速大于15m/s），应停止运行。对于本文研究来说，主要分析30米观览车在满载、1/2偏载、1/4偏载、满载+15m/s风载、极限风载时的结构强度、刚度以及模态，对于制造、安装误差、运行电压、外观造型暂不考虑。2.1.2 结构分析本文研究对象为30米观览车，包含前后立柱支架、中心轴、转盘、驱动部件、座舱、避雷针等，结构较为复杂，主体结构可以看成前后立柱支架和转盘两个部分。其中前后立柱支架是一对四角支架，由四根圆管和两层三角形钢结构平台组成，三角形设计也增加了结构的稳定性。转盘是观览车最重要的组成部分，由悬臂部件、悬臂撑杆部件、钢索、座舱、驱动系统等组成。立柱支架起支撑转盘的作用，中心轴作为前后立柱支架和转盘的连接部件安装在主轴安装平台上。整体结构如图2.1所示。 （a）前视图 （b）左视图图2.1 观览车整体结构图2.2 建模2.2.1 SolidWorks软件介绍 SolidWorks是全球首个基于Windows系统开发的三维CAD软件，由于采用智能化的设计理念以及图形化用户界面，操作灵活，设计过程简单便捷，运行速度快，易上手，受到广大用户的青睐，极其适合初学者。软件中常用功能有零件、装配体、工程图等以及各种插件，覆盖机械设计、验证、运动模拟、数据管理和交流工具等方面。几何造型以及分析功能表现卓越，在机械制图和结构设计领域已经成为三维CAD设计的主流软件7。2.2.2 建模过程观览车结构较为复杂，由于一些部件对于之后的结构强度、刚度分析影响不大，如驱动部件、避雷针等，故建模时略去。本文建模对象主要为前后立柱支架、转盘以及中心轴。双击图标打开SolidWorks，点击新建按钮，新建一零件界面，如图2.2所示。SolidWorks界面如图2.3所示。选择某一平面如前视面，点击进行草图绘制。图2.4为草图工具栏，图2.5为焊件工具栏。 图2.2 新建零件图 图2.3 SolidWorks零件界面 图2.4 草图工具栏 图2.5 焊件工具栏焊件结构构件截面绘制方法为：在草图中画出截面图形，保存文件类型为Lib Feat Part（*.sldlfp）。保存路径十分关键，因为焊件结构构件选择时要两层路径，故应将该文件保存在焊件截面图形库（weldment profiles）下的第三层路径下。保存成功后零件界面的会变成，表示是有效焊件截面。焊件生成方法为：点击焊件工具栏的结构构件功能，选择截面的保存路径，再选择草图轨迹进行扫描。前后立柱支架结构一样，故只需画一侧。利用SolidWorks草绘功能建立草图，再利用焊件的结构构件功能对草图轨迹进行扫描，扫描截面尺寸为。第一层平台和第二层平台也是同样的步骤，先画出草图，再通过焊接结构件对草图轨迹进行扫描，扫描截面尺寸为。立柱支架模型如图2.6所示。图2.6 立柱支架图转盘结构稍微复杂些。由于其主要是由中心轴旋转部件、悬臂部件和悬臂撑杆部件构成，故先分别画出这3个部件，再利用SolidWorks的装配体功能进行装配、阵列。图2.7为结构构件设置图，图2.8为新建装备体界面图。 图2.7 结构构件设置图 图2.8 新建装配体界面图 中心轴旋转部件如图2.9所示。该部件由一个的钢管、加强筋、悬臂连接法兰、主轴轴承组件等组成。 （a） （b）图2.9 中心轴旋转部件中心轴如图2.10所示。悬臂撑杆部件如图2.11所示。 图2.10 中心轴 图2.11 悬臂撑杆部件悬臂部件结构如图2.12所示。由于该部件是构成转盘的核心部件，其结构设计显得十分重要。该部件由悬臂主梁、横梁、斜撑、加强筋、耳板和吊耳组成。悬臂主梁是截面为的方管，横梁、斜撑是截面为的方管，斜撑组成三个X型，并且斜撑X型的中间交汇处以及四个边角都有加强筋，能够增加结构稳定性，以提高悬臂部件的强度、刚度。耳板和吊耳用来将悬臂部件和悬臂撑杆部件相连，下文会阐述。图2.12 悬臂部件将中心轴旋转部件和悬臂部件一起导入到SolidWorks装备体中，利用配合将其连接到一起，再通过阵列功能悬臂部件对中心轴进行360等角阵列，阵列数为18个。 图2.13 悬臂阵列过程各部件模型设计完成后也将其导入SolidWorks装备体中，通过配合将不同长度的悬臂撑杆与悬臂连接，配合方式为同心、面重合。悬臂撑杆部件主要起周向的加固作用，每2个悬臂部件通过8根悬臂撑杆连接，每侧各4个悬臂撑杆。悬臂撑杆与悬臂连接方式如图2.14所示。图2.14 悬臂撑杆和悬臂连接图这样便将18个悬臂部件在周向连接起来，悬臂与中心轴旋转部件的连接方式为螺栓连接。使得转盘整体结构的强度、刚度得以提高。表2.1中列出了主要结构构件的截面规格。表2.1 主要结构构件截面规格构件类型规格（mm）材料悬臂主梁方管Q235A悬臂横梁方管Q235A悬臂斜撑方管Q235A悬臂撑杆方管Q235A中心轴部件钢管Q235A立柱主管20立柱平台连接管202.3 本章小结 本章主要介绍了观览车主要结构和建模的详细过程。由于该结构复杂，部分结构在模型中没有画出，如：避雷针、驱动部件、座舱等等，这些省略的部件对于整体结构强度、刚度影响不大，故省略。几何模型是下文进行有限元结构强度、刚度分析的基础。- 13 -苏州大学本科生毕业设计(论文)第3章 静力学分析3.1 有限元方法和ANSYS Workbench概述有限元方法的基本思想是运用离散逼近，将复杂的几何和受力对象划分为形状比较简单的单元，根据单元节点位移和受力构建单元的刚度方程；再通过单元与单元之间的节点连接关系进行单元的组装，得到整体刚度方程；进而根据位移约束和受力状态，处理边界条件，并进行求解8。有限元方法运用广泛：美国波音公司的Turner9首次运用有限元法完成三角形机翼结构的力学分析；留美石根华10博士发展数值流形法，用以解决岩土结构及其非线性问题。随着计算机技术的快速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，如ANSYS 、MSC/NASTRAN等。本文采用ANSYS Workbench，是ANSYS中的一个分析平台，包含3个主要模块：几何建模模块（DesignModeler）、有限元分析模块（DesignSimulation）、优化设计模块（DesignXplorer）。可以实现自动分析装配体、快捷的优化等功能。相对于经典ANSYS来说，ANSYS Workbench能帮助设计人员大大节省建立网格的时间，尽可能实现了网格划分的自动化。3.2 模型基本信息通过建立观览车整体结构的有限元模型，选择恰当的有限元分析单元，对整体结构进行数字离散化，并且赋予合适的材料属性，进行载荷与