NFX|摩天轮风载分析

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基于midas NFX的摩天轮非工作状态下极限风载分析

康俊华

（河北智跑游乐设备制造有限公司，河北邢台，054001)

摘要：为了研究摩天轮在非工作状态下极限风载时的受力情况，找出摩天轮的受力薄弱点。本文利用有限元分析软件midas NFX，导入分层高度风载值，求得摩天轮结构在各个方向上的应力云图和变形情况。证明该摩天轮在极限风载的工况下，各个主要受力结构的强度满足相关安全规范使用要求。

关键词：摩天轮；极限风载；midas NFX.

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1672-9129(2021)05-0232-02

引言

MTL6602摩天轮是我公司研发的一种高度66m的新型纯钢索摩天轮。该摩天轮由两组立柱架和一个转轮组成。转轮上均匀的布置着36个观光吊舱．每组4根直径630mm圆管相互支撑组成A字形稳定三角结构。轮盘为三角形截面的桁架结构，通过施加了预应力的钢索连接中心轴。中心轴通过两端的支座连接两组立柱架。本文主要是在对摩天轮的在非工作状态极限风载的工况进行仿真模拟。通过对摩天轮进行有限元分析，验证MTL6602摩天轮的主体结构在极限风载工况时的强度刚度是否满足国家安全规范的要求。

1模型建立

MTL6602 是典型的A字柱钢索摩天轮。主要由圆管方管等型材作为主体结构，辅助以预应力钢索支撑整个转轮。根据其结构特点，使用三维建模软件SolidWorks 的3D 草图、焊件框架设计功能可以轻松建立摩天轮的结构3D 线框模型模型，大幅提高框架钢结构的设计效率。用Solidworks 建立的3D 模型如图1所示。

用SolidWorks 做完模型完成后，即可进入分析的前处理准备阶段。midas NFX是一款专门针对机械行业的有限元分析软件．软件内置了把多种国内国外常用的材料库，标准库，型材库，同又可以进行索单元分析，可以大幅设计师提高计算效率，提升产品设计的迭代速度。进行钢结构设计时，适时导入midas NFX,就可以实现使用计算机完成摩天轮的结构优化设计。在导入midas NFX之前，应对根据结构的受力特点，对3D模型进行简化处理。具体到本案例，在不影响风载力学分析结果的前提下，将护栏，驱动，梯子，平台，筋板等非必要零件忽略。将吊舱简化为远程集中质量点，并施加远程载荷模拟风载。

2 前处理

将简化好的线框模型导入midas NFX中。将每一种规格的型材分别建立对应1D截面线性特性，然后划分网格（相同规格的型材一定要放在一起，并且根据型材命名网格名称，在后面的风载荷加载时可以方便的选择同类的杆件）。立柱轮缘可以采用梁单元，中心轴采用实体单元，钢索采用索单元进行网格化，每根钢索划分为一个单元（因为索单元不可传递扭矩，特征与杆单元类似，若采用默认参数划分多个单元，计算时会出现自由度报错)，最后,根据先前计算好的下料长度设置索单元的预紧力参数．

网格划分完成后，根据实际情况对模型施加约束。由于立柱的固定地脚螺栓全部在圆管的外侧，而且用筋板加强，在钢结构规范的分类上属于刚接地脚，不允许支撑点有任何位移，所以在支撑柱的各个支点处添加约束时选择固定约束，来限制支撑点的六个自由度。简化后各个零部件之间刚性连接。驱动和立柱之间，根据驱动特点，在驱动机构位置，限制转轮圆柱坐标的轴向运动和转动运动，放开径向运动。

3 风载荷的计算

根据国标GB/T18164-2020 《观览车类游乐设施通用技术条件》要求。摩天轮需要根据安装所在地进行极限风载计算，内陆地区基本风压按照50 年一遇风载选取；对于海边和台风地区，基本风压宜按照100 年一遇风载选取。

为保证设备的安全可靠，我公司MTL6602 摩天轮按照最严工况100 年一遇风载要求进行产品设计和强度校核。同时风高变化系数也根选择糙度A类地形来得到更高的系数值，使产品可以适应更多的地形，提高抗风能力。

由GB/T 50009-2012 《建筑结构载荷规范》可以查询到非工作极限风载计算公式；

根据这四个参数的特点，

和μz这两个与高度相关联。利用midas NFX的函数功能，将

μz 这两个随度高度变化的变量相乘，用离散点插值生成函数的方法，生成基于高度的连续变化分层风压函数。μsWO 这两个参数为固定值，只和钢结构的长度风向投影相关。可以用梁单元载荷对每一类的杆件分别加载。在梁单元载荷选项框里选中刚刚生成的变化函数，同时选择延风力方向投影。相对于传统的在不同高度分层用平均值的方法加载，由于风压利用插值计算的方法是随高度是连续变化的，更加趋近于真实工况，可以较为精确地模拟加载风载。

根据上述外力载荷加载步骤，分别对摩天轮分别施加风向垂直转盘面和平行转盘面的两种方向的风载荷，来计算比较这两种工况下结构的受力状态。

4 分析结果

摩天轮的应力分析结果如图3图4所示。通过对计算结果的对比分析可以看出，最大应力出现在在风向垂直转盘的工况下的立柱部分。最大应力为130.56MPa, 小于Q235B 材料235MPa的屈服强度。安全系数I.79, 安全富余量79%，符合GB8408-2018 《大型游乐设施安全规范》中极限风载下不出现屈服的规定。并且具有较高的储备强度。

5结语

应用有限元分析软件Midas NFX对MTL6602摩天轮钢结构进行了非工作状态极限风载分析，证明了MTL6602 摩天轮在极限风载的非工作工况下,结构强度均满足国家相关规定要求，在此基础上对同类摩天轮的进一步优化设计有一定的指导意义和参考价值。

参考文献：

[1]GB 8408-2018 大型游乐设旋安全规范[S]北京：中国标准出版社， 2018.

[2]GB/T 18164-2020 观览车类游乐设备通用技术条件[S]北京：中国标准出版社，2020

[3]GB/T 50009-2012 建筑结构载荷规范[S]北京：中国标准出版社，2012.

论文来源：