Расчет аттракциона «ЛАВИЦА-6» в APM WinMachine
Аттракцион «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
В 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.
При 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
Исходные 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.
Приближение 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.
Итоги выполненного проекта
Выполнен проверочный расчет конструкции аттракциона «Лавица-6». По результатам расчета конструкции аттракциона могут быть сделаны следующие выводы:
- 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.
- Установлено, что при действии расчетных нагрузок во всех случаях нагружения, жесткость разработанной конструктивной формы аттракциона обеспечена.
- При анализе деформированного состояния системы определено, что форма изделия обладает устойчивостью к действующим нагрузкам.
- Выполненный расчет на устойчивость положения конструкции аттракциона показал, что конструкция устойчива к опрокидыванию.
- 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.
- Усталостная прочность элементов аттракциона обеспечена.
Проведенная работа показала применимость программного комплекса APM WinMachine для решения сложных задач прочностного анализа аттракционов.
