基于ANSYS的青蛙跳钢丝绳冲击载荷分析

基于ANSYS的青蛙跳钢丝绳冲击载荷分析赵九峰武汉顺源游乐设备制造有限公司，武汉430034摘要：根据机械能守恒定律，建立了青蛙跳钢丝绳的力学模型，确定了青蛙跳钢丝绳在突然制动情况下，钢丝绳冲击载荷的计算公式；应用ANSYS有限元分析软件，分析了吊重在不同高度下落的工况下，钢丝绳冲击载荷的变化情况，指出合理的下落高度。关键词：机械能守恒；青蛙跳钢丝绳；冲击载荷；有限元分析中图分类号：TH113文献标识码：AAnalysisoftheFrogJumpropeunderimpactloadingbasedonANSYSZhaoJiu-fengWuhanShunyuanAmusementEquipmentManufacturingCorporation,Wuhan430034,China;Abstract:EstablishedamechanicalmodeloftheFrogJumpropebasedonthelawofconservationofmechanicalenergy,todeterminetheformulaofimpactloadofthefrogjumpropeundertheconditionofsuddenbraking.AnalysisofthechangesofimpactloadundertheconditionoffallingatdifferentheightsbyANSYS,todeterminethereasonablefallingheight.Keywords:Conservationofmechanicalenergy;FrogJumprope;Impactload;Finiteelementanalysis0引言钢丝绳作为重要的提吊用具，广泛用于提升机、吊车、钻机、电梯、斜拉吊桥及机械式矿用挖掘机等机械工程领域[1]。研究分析这些机械系统或部件（包括钢丝绳）的运动特性，能评估整个系统的稳定性和可靠性。“青蛙跳”是一种飞行塔类的游乐设备。其主要结构为龙门架、座椅、油缸。原理是：座椅用钢丝绳绕过龙门架的定滑轮与油缸连接，通过油缸不断的伸缩动作，使坐于座椅上的游客被提升至高处再快速下放，后又旋即提升，而后不断上下跳跃动作。游客置身其中，犹如坐在大青蛙的背上蹦蹦跳跳。“青蛙跳”的工作特点是经常突然制动，在制动过程中，钢丝绳承受很大的冲击载荷[2]。本文针对青蛙跳在突然制动工况下，钢丝绳承受的冲击载荷进行仿真分析，并对计算结果进行评价。1钢丝绳的力学分析钢丝绳的动力学模型如图1所示：图1青蛙跳钢丝绳的力学模型设吊重（包括座椅和乘人）的质量为m，钢丝绳在吊挂点的刚度系数为k，突然制动时刻吊重的速度为v，制动后，吊重在冲击载荷作用下最大的位移为s。青蛙跳钢丝绳在受到冲击之前，做自由落体运动，设吊重自由落体的高度为h，吊重下落前和冲击终了时，其速度均为零，整个冲击过程中，由机械能守能：212mghmgsks（1）其中：g—重力加速度，值为9.8m/s2；因为在冲击过程中，钢丝绳构件仍在弹性范围内，故冲击载荷F和最大冲击位移s之间存在线性关系，即：Fks（2）静载荷mg和静载位移x之间存在线性关系，即：mgkx（3）由公式（1）、（3），可得关于最大冲击位移s的二次方程：2220sxsxh（4）由此解出：2(11)hsxx（5）由公式（2）、（3）、（5），得钢丝绳的冲击载荷：2(11)hFmgx（6）公式（6）表明，在青蛙跳荷载和结构确定的情况下，即吊重和钢丝绳刚度一定的情况下，最大冲击载荷与吊重自由落体高度为h有关，自由落体高度愈小，冲击载荷将相应地减小。设计承受冲击载荷的青蛙跳时，应当充分利用这一特性，确定青蛙跳吊重合理的自由落体高度。2实例验算本文以24座青蛙跳为计算对象，其最大吊重（包括座椅和乘人）：'m=4168kg；整个座椅架内由8根钢丝绳完成升降动作，则每根钢丝绳的承受的载荷：m=521kg。提升、吊挂乘人装置用的钢丝绳所承受的最大载荷，应考虑固定效率（本设备采用绳夹固定，固定效率=82.5%）[3]。提升用钢丝绳规格：16NAT6X37S+IWR，采用Φ16纤维芯钢丝绳，最小破断拉力pF≥150000N[4]。钢丝绳的等效拉伸刚度系数[5]：EAkl（7）其中：E—提升钢丝绳的弹性模量，钢丝绳为纤维芯，值为8×1010Pa[6]；A—Φ16钢丝绳的横截面积，值为2164A=2.01×10-4m2；l—钢丝绳的有效长度，值为32m。代入数据到公式（7），求得：k=5.025×105N/m。液压油缸通过控制行程，原设计规定，吊重每次自由下落h=1m的高度，以上数据代入到公式（6），求得钢丝绳的冲击载荷：F=71818N。由于《游乐设施安全规范》GB8408-2008未规定在冲击载荷下，钢丝绳的安全系数，故可参照《游乐设施安全技术监察规程（试行）》第八条第五节：钢丝绳按总载荷计算不小于5。即：5.0pFF（8）其中：pF—Φ16纤维芯钢丝绳，最小破断拉力pF≥150000N—绳夹固定的效率，值为0.825。钢丝绳连接中的阻尼系数是一个综合阻尼系数，包括材料阻尼、结构阻尼等各类情况的综合影响结果[5]。利用仿真方法，研究钢丝绳的阻尼系数对钢丝绳冲击载荷的影响，利用有限元软件ANSYS模拟冲击载荷，并对钢丝绳进行校核。3钢丝绳的有限元分析3.1载荷与约束考虑青蛙跳模型的仿真计算量和精度，为了提高仿真速度，建立钢丝绳模型时做了以下简化：钢丝绳用等效弹簧来代替，等效弹簧的刚度k为5.025×105N/m，钢丝绳的最大阻尼系数c取值104N•s/m[7]，用弹簧单元模拟钢丝绳，由于不考虑座椅升降部件的应力强度，可用正方体模拟座椅升降部件质量，钢丝绳顶部施加全约束，赋予提升重物的质量为521kg，向下的重力加速度9.8m/s2，如图2所示：（1）钢丝绳模型（2）载荷与约束图2青蛙跳提升钢丝绳简化模型自由下落过程中，仅有重力做功，机械能守恒[8]：212mghmv（9）由公式（9）得钢丝绳受到的瞬时最大冲击速度：2vgh（10）由公式（10）可知，吊重对钢丝绳的冲击速度与吊重的质量无关，仅与自由下降距离有关。通过改变自由下降距离来改变冲击速度，分3种工况：工况1，h=1.0m时：229.81.0vgh=4.43m/s；工况2，h=0.5m时：229.80.5vgh=3.13m/s；工况3，h=0.2m时：229.80.2vgh=1.98m/s。吊重部件分别施加初速度4.43m/s、3.13m/s、1.98m/s，在ANSYS软件中进行瞬态动力学分析。3.2有限元计算结果图3所示为青蛙跳钢丝绳在突然制动的工况下，冲击载荷随时间的变化曲线。从图中可以看出，工况1下，钢丝绳承受的最大冲击载荷F=50737N，钢丝绳的安全系数1500000.82550737=2.44；在钢丝绳阻尼的作用下，仿真计算的冲击载荷小于1.2节理论计算的冲击载荷F=71818N，表明阻尼对钢丝绳承受的冲击载荷的影响不能忽略。工况2下，钢丝绳承受的最大冲击载荷F=36845N，钢丝绳的安全系数1500000.82536845=3.36；工况3下，钢丝绳承受的最大冲击载荷F=24581N，钢丝绳的安全系数1500000.82524581=5.03。（1）工况1冲击载荷曲线（2）工况2冲击载荷曲线（3）工况3冲击载荷曲线图3有限元分析结果4结论利用ANYSY软件，对青蛙跳钢丝绳进行瞬态动力学分析，由第2节有限元计算结果，分3种工况对钢丝绳进行计算对比，如表1所示：表1不同工况下青蛙跳钢丝绳计算结果汇总工况下落距离（m）冲击载荷（N）安全系数许用值结论11.0507372.445.0不满足要求20.5368453.365.0不满足要求30.2245815.035.0满足要求（1）基于通用有限元分析软件ANSYS，建立了青蛙跳钢丝绳的三维有限元简化模型，模拟了钢丝绳在不同下落高度下，钢丝绳承受的最大冲击载荷。（2）通过仿真计算结果与理论值的对比，表明阻尼对钢丝绳承受的冲击载荷影响较大，在计算钢丝绳的冲击载荷时，需考虑阻尼的影响。（3）数值模拟结果表明原设计工况下，即升降部件自由下落距离h=1.0m，钢丝绳受到冲击载荷下的安全系数为2.44，不满足设计要求。通过减小吊重自由落体距离，当距离h=0.2m（工况3）时，满足设计要求。参考文献：[1]王定贤，殷亮，李颖等.钢丝绳的建模及动力学仿真分析[J].化工设备与管道，2011（3）：1-3.[2]徐军，李意，韩秀林等.单绳缠绕式提升机斜井提升系统安全制动力矩分析[J].煤矿机械，2012（10）：89-91.[3]GB8408-2008,游乐设施安全规范［S］.[4]GB8918--2006,重要用途钢丝绳［S］.[5]方子帆，吴建华.钢丝绳类索结构模型的动力学仿真研究[J].起重运输机械，2009（2）：71-72.[6]吴沂隆.钢丝绳弹性模量的研究[J].福建林业科技，2003（9）：62-63.[7]李俊文，卜长根，王龙.ADAMS宏命令在钢丝绳式冲击钻机虚拟样机建模中的应用[J].机床与液压，2011（12）：150-152.[8]邵友元.机械能守恒方程应用中的几个问题的讨论[J].广东化工，2010（1）：164-166.第一作者简介赵九峰（1981-），男，硕士，工程师，主要从事结构仿真与载荷响应研究。；通讯地址：武汉市硚口区新墩一村特一号附7号；邮编：430034；联系电话：[phone]；E-mail：[e-mail]