Расчет аттракциона «ЛАВИЦА-6» в APM WinMachine

Лавица в одном из парков аттракционаАттракцион «ЛАВИЦА-6»

Расчет аттракциона проводился по заказу ИП Джикия Г.В.

Аттракцион предназначен для эксплуатации в парках и других зонах массового отдыха населения, для развлечения детей старше 14 лет и взрослых.

Аттракцион представляет собой установку, которая обеспечивает подъем, общее вращательное движение площадки с сиденьями (лавицы), а также её опускание.

Аттракцион – бесфундаментный.

Целью расчета является проведение анализа конструкции аттракциона «Лавица - 6» на прочность, жесткость и устойчивость при действии расчетных нагрузок.

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 33807-2016;
  • ГОСТ Р 52170 – 2003;
  • СП 16.13330.2017;
  • СП 20.13330.2016.

Прочностной расчет конструкции аттракциона проводился с помощью модуля APM Structure3D, входящего в состав системы APM WinMachine.

Расчет осей проводился с помощью модуля APM Shaft, входящего в состав системы APM WinMachine.

Исходные данные

Схема аттракционаВ зависимости от продолжительности действия следует различать постоянные и временные нагрузки.

К постоянным нагрузкам аттракциона относятся собственный вес несущей конструкции и оборудования.

К временным нагрузкам относятся вес 6 пассажиров, гироскопические, динамические, ветровые, снеговые, а также температурные.

При вращении аттракциона возникают центробежные силы инерции.

Расчет конструкции проводился на наиболее неблагоприятное воздействие нагрузок. В рамках расчета конструкции на статические нагрузки необходимо было выполнить: расчет на прочность и устойчивость формы, расчет на устойчивость положения и провести оценку жесткости элементов конструкции и их предельной гибкости.

Варианты загрузки аттракционаПри оценке надежности и работоспособности аттракциона необходимы расчет на усталость и анализ соединений и других ответственных узлов.

В результате расчета на прочность требовалось определить опорные реакции, внутренние силовые факторы, напряжения, деформации, возникающие в элементах конструкции.

Расчет аттракциона на устойчивость проводился, анализируя возможность ее опрокидывания, скольжения и приподнимания. При этом конструкция рассматривалась как единая жесткая система.

Оценка предельной жесткости и предельной гибкости производился для каждого типа элементов в наиболее нагруженной зоне конструкции для расчетных комбинаций.

Элементы аттракциона воспринимают многократно действующие подвижные нагрузки от вращения элементов лавицы. Поэтому в элементах конструкции возникают усталостные повреждения, поэтому требовалось проводить расчет на усталость.

 

Расчетная модель

 

Расчетная стержневая модельИсходные данные, для проведения расчетных работ, предоставлены заказчиком в виде чертежей конструкции. Расчетная модель строилась на основе данных чертежей.

Элементы конструкции были смоделированы пластинчатыми и стержневыми конечными элементами.

Стержневые элементы модели имеют статус балочных элементов, способных воспринимать все виды деформации (растяжение / сжатие, изгиб, кручение). Присвоение поперечных сечений для них осуществлялось в соответствии с имеющейся конструкторской документацией на изделие. Геометрические характеристики сечений задавались из библиотеки стандартных сечений.

Механизм опирания конструкции аттракциона на фундамент (грунт) смоделирован в виде ограничений на перемещения опорных поверхностей основания.

Схема приложения инерционных силПриближение к реальным условиям соединения элементов конструкции достигалось введением в расчетную модель фиктивных (недеформируемых) стержней – жестких вставок. Жесткими вставками моделировались болты, оси и часть сварных соединений.

Участки маховика, залитые бетоном, моделировались пластинчатыми элементами, с особыми свойствами материала, для передачи весовой, жесткостной и инерционной нагрузки.

Для передачи ветровой нагрузки решетка ограждений и лавица обтягивались пластинчатыми элементами.

В связи с тем, что в расчетной модели не учтена масса крепежных элементов, а также сварных соединений, вес учитывался с надбавкой 5%.

Масса пассажиров задавалась в виде распределенной нагрузки на лавицу.

Вес приводного оборудования задавался сосредоточенными силами в зонах их установки.

Силы инерции прикладывались к элементам лавицы и маховика в виде сил в узлах по касательной к радиусу вращения в зависимости от положения в пространстве

 

Результаты расчета

Проведенный статический анализ показал, что возникающие напряжения не превышают допускаемые. Минимальный коэффициент запаса по расчетному сопротивлению равен 1,23. Максимальные напряжения возникают в балках ограждений.

Первые формы колебаний вызваны локальной потерей устойчивости обшивки ограждений. Минимальный коэффициент запаса глобальной устойчивости составил 96,28 и возникает в центральной подпорке надрамника. Следовательно, конструкция аттракциона соответствует требованиям ГОСТ Р 52170-2003.

Согласно результатам определения реакций в опорах, делаем вывод о том, что конструкция, выполненная по бесфундаментной схеме, устойчива к опрокидыванию так как возникающие прижимающие силы больше отрывающих. Устойчивость положения конструкции обеспечена.

Максимальные прогибы возникают в раме ограждений и надрамнике.  Согласно анализу, максимальной является горизонтальная составляющая перемещений балок решетки ограждения и надрамника, остальные составляющие перемещений малы.

Максимальные напряжения в конструкции аттракциона, полученные в результате выполнения усталостного расчета, не превышают расчетный предел выносливости, условие усталостной прочности выполнено в соответствии с ГОСТ Р 52170-2003.

Полученные напряжения в осях и валиках аттракциона не превышают допускаемые, следовательно, условия статической и усталостной прочности выполнены.


 Карта распределения эквивалентных напряжений в раме и основанииКарта суммарных перемещенийРасчет оси кривошипа

ИтогиИтоги выполненного проекта

Выполнен проверочный расчет конструкции аттракциона «Лавица-6». По результатам расчета конструкции аттракциона могут быть сделаны следующие выводы:

  1. 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 расчетных состояниях аттракциона величина эквивалентных напряжений не превышает уровень расчетного сопротивления конструкционного материала, и соответственно, необходимая прочность обеспечивается.
  2. Установлено, что при действии расчетных нагрузок во всех случаях нагружения, жесткость разработанной конструктивной формы аттракциона обеспечена.
  3. При анализе деформированного состояния системы определено, что форма изделия обладает устойчивостью к действующим нагрузкам.
  4. Выполненный расчет на устойчивость положения конструкции аттракциона показал, что конструкция устойчива к опрокидыванию.
  5. Проверка конструктивных элементов показала, что все коэффициенты работоспособности основных элементов аттракциона не превышают значение единицы и соответствуют требованиям ГОСТ Р 52170-2003 предъявляемым к конструкции аттракциона.
  6. Усталостная прочность элементов аттракциона обеспечена.

Проведенная работа показала применимость программного комплекса  APM WinMachine для решения сложных задач прочностного анализа аттракционов.

Продукты