Расчет колеса обозрения в APM WinMachine
Колесо обозрения 50 м
Расчет колеса обозрения проводился по заказу ООО «НТП СИО».
Несущая система аттракциона представляет собой разборную пространственную стержневую конструкцию комбинированного типа.
Каркас колеса обозрения выполнен в виде полярно-симметричной циклической стержневой системы, состоящей из: радиальных ферм; кольцевых поясов; дорожек, а также объединяющих их связей и противосейсмических растяжек.
Горизонтальная ось колеса обозрения шарнирно связана с опорными стойками, которые в свою очередь шарнирно связаны со сборным стальным основанием.
Технические параметры и характеристики аттракциона:
Габаритные размеры:
- высота: 49 500 мм;
- диаметр колеса по осям подвеса кабин: 45 500 мм;
- ширина (по краям опор): 28 500 мм.
Способ установки аттракциона: бесфундаментная конструкция.
Количество кабин - 24 шт.
Число пассажиров в одной кабине - 6 человек.
Цель расчета: проведение проверочного расчета несущей металлоконструкции аттракциона и ее элементов на прочность, жесткость и устойчивость при действии расчетной нагрузки с учетом возможных неблагоприятных условий эксплуатации или вариантов установки аттракциона. Обоснование безопасности эксплуатации колеса обозрения.
Проверочный расчет несущей системы аттракциона выполнен на основе технического задания в соответствии с общими принципами надежности строительных конструкций по методу предельных состояния первой группы согласно:
- ГОСТ Р 52170 – 2003;
- ГОСТ 27751-88;
- СП 16.13330.2016;
- СП 14.13330.2014.
Прочностной расчет конструкции аттракциона проводился с помощью модуля APM Structure3D, входящего в состав системы APM WinMachine.
Расчет болтовых соединений выполнялся с использованием APM Joint. Данный модуль входит в состав системы APM WinMachine.
Расчетная модель
Расчетная схема конструкции аттракциона строится на основе 3D модели переданной заказчиком.
Элементы конструкции были смоделированы стержневыми и объемными конечными элементами.
При моделировании поведения несущей конструкции рассматривался вариант ее фиксации на сборном стальном основании. Внешние связи системы воспроизводились заданием ограничений на перемеще-ния опор относительно глобальной системы декартовых координат. Фиксация расчетной модели осуществлялась наложением ограничений линейных перемещений шестнадцати узловых опорных точек.
Внутренние связи системы имитировали условия соединений конструктивных элементов аттракциона. В разработанной расчетной модели были реализованы:
- шарнирное соединение центрального вала с барабаном;
- жесткое соединение дорожек с опорными стойками в местах установки электроприводов;
- шарнирное соединение радиальных ферм с кольцевыми поясами и противосейсмическими растяжками;
- жесткое соединение радиальных ферм с барабаном;
- шарнирное соединение вала пассажирских кабин с дорожками колеса;
- шарнирное соединение опорных стоек с основанием центрального вала и сборным основанием;
- жесткие соединения балок сборного основания.
Приближение к реальным условиям соединения элементов конструкции достигалось введением в расчетную модель фиктивных (недеформируемых) стержней и созданием шарнирных узлов путем снятия ограничений на отдельные степени свободы.
В расчетной модели ось колеса представлена фиктивными стержневыми элементами, один конец которых шарнирно связан с твердотельными элементами вала, позволяя колесу совершать вращательное движение вокруг оси вращения, ограничивая линейное перемещение вдоль этой оси, а другой конец – жестко закреплен на фиктивном стержне, связанном с барабаном.
Все связи в конечно-элементной модели центральные, т.е. связь осуществляется через центры тяжестей сечений соответствующих элементов.
Условия нагружения конечно-элементной модели определены в соответствии с техническим заданием. К их числу относятся постоянные, временные и особые нагрузки.
К постоянным нагрузкам были отнесены:
- вес несущих конструкций;
- вес оборудования;
- вес приводных механизмов.
Нагрузка от посетителей задавалась согласно требованиям ГОСТ 52170-2003.
К временным нагрузкам:
- ветровые нагрузки;
- снеговые нагрузки;
- нагрузки от обледенения;
- нагрузки от посетителей;
- инерционные нагрузки.
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки определялась в соответствии с ГОСТ Р 52170-2003. Снеговая нагрузка определялась согласно СП 20.13330.2016.
К особым нагрузкам относится сейсмическое воздействие. Сейсмические нагрузки были сформированы согласно СП 14.13330.2014.
Согласно данным полученным от заказчика нагрузка от обледенения определялась по СП 20.13330.2016
Все виды механических нагрузок представлены в виде сосредоточенных и распределенных сил, приведенных к узлам модели.
Результаты расчета
Был выполнен статический расчет конструкции аттракциона колеса обозрения на основные и особые сочетания нагрузок, для тридцати расчетных случаев (комбинаций загружений). Получены карты напряженного и деформированного состояния конструкции при соответствующих вариантах нагружений.
Выполнен расчет на усталость при действии нормативных значений нагрузок с учетом коэффициента динамичности.
Проведена оценка максимальных прогибов конструкции аттракциона согласно ГОСТ Р 52170-2003.
Так же выполнен расчет конструктивных элементов по СНиП II-23-81* для каждого типа элементов в наиболее нагруженной зоне конструкции для рабочего режима эксплуатации аттракциона.
Согласно ГОСТ Р 52170-2003 был проведен расчет статической устойчивости конструкции аттракциона (устойчивость формы).
Итоги выполненного проекта
Выполненный статический анализ позволил определить механическое состояние конструкции аттракциона как единой несущей пространственной системы в рамках линейных соотношений между напряжениями и деформациями и получить по методу предельных состояний первой группы оценки ее прочности и жесткости при действии предусмотренных в техническом задании расчетных нагрузок.
На основе анализа конечно-элементных моделей установлено, что напряженно-деформированное состояние конструкции при действии расчетных нагрузок имеет неоднородный характер, который наиболее существенно зависит от двух составляющих механической нагрузки – собственного веса конструкции и давления ветра. Действие нагрузки от веса пассажиров является незначительным, ее максимальное влияние оценивается в пределах 5%. Поэтому характер распределения внутренних усилий, напряжений и деформаций в большей степени зависит от положения конструктивного элемента и в меньшей степени – от уровня загрузки аттракциона пассажирами.
Наиболее высокий уровень напряженно-деформированного состояния аттракциона в рабочем состоянии возникает при загрузке пассажирами всех кабинок, при ветре перпендикулярном плоскости колеса.
Напряженное состояние несущей системы аттракциона характеризуется наличием концентраций эквивалентных напряжений, возникновение которых связано с присутствием в расчетных моделях аттракциона геометрических и «модельных» концентраторов, создающих в своих окрестностях особенности напряженного состояния. Следует отметить, что концентрации напряжений имеют локальный характер. Распределение эквивалентных напряжений вне названных зон не зависит от их максимального уровня. В этой связи наличием характерных зон концентрации во всех расчетных моделях можно пренебречь, и механическое состояние конструкции оценивать по наибольшему уровню напряжений, действующих за их пределами. В рабочих и нерабочих состояниях аттракциона величина эквивалентных напряжений не превышает уровень расчетного сопротивления конструкционного материала, и соответственно необходимая прочность обеспечивается.
Установлено, что при действии расчетных нагрузок деформирование несущей системы аттракциона во всех случаях нагружения реализуется при малых перемещениях, величина которых намного меньше длин стержневых элементов системы. Характер формоизменения несущей системы в основном зависит от горизонтальных линейных перемещений, обусловленных действием горизонтальной ветровой нагрузки.
Жесткость разработанной конструктивной формы аттракциона обеспечена.
Выполненный расчет на устойчивость положения конструкции аттракциона показал, что несущая система, выполненная по бесфундаментной схеме, с учетом массы бетонного основания под каждую из опор, является устойчивой против опрокидывания при действии расчетной ветровой нагрузки параллельно и перпендикулярно плоскости колеса обозрения.
Проверки конструктивных элементов показали, что все коэффициенты работоспособности основных несущих конструкций колеса: опорной стойки, поясов и раскосов радиальных ферм, кольцевых поясов и дорожек, не превышают значение единицы и соответствуют требованиям ГОСТ Р 52170-2003 предъявляемым к конструкции аттракциона.
Проведенная работа показала применимость программного комплекса APM WinMachine для решения сложных задач прочностного анализа аттракционов.
