徐　偉，王文靜，王詩柔，姜海波，王盼盼

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023；2.大連益網(wǎng)科技有限公司，遼寧大連116023）

摩天輪雪載荷影響分析

徐偉1，王文靜1，王詩柔1，姜海波1，王盼盼2

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023；2.大連益網(wǎng)科技有限公司，遼寧大連116023）

通常情況下積雪存在的時(shí)候是不允許運(yùn)行摩天輪的，但積雪對(duì)運(yùn)行摩天輪的影響并不清楚。針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行積雪載荷的影響分析，通過ansys仿真模擬運(yùn)行與非運(yùn)行摩天輪時(shí)的對(duì)比，并根據(jù)積雪帶來的其它影響進(jìn)行分析，確定積雪時(shí)候仍然可以運(yùn)行摩天輪。

摩天輪；積雪載荷；ansys仿真分析

摩天輪［1］一般是-10℃～40℃應(yīng)用，在北方的冬天，這個(gè)溫度下經(jīng)常會(huì)有積雪，積雪情況下，要求摩天輪停止運(yùn)行，需積雪清除后方可繼續(xù)運(yùn)行。實(shí)際上，由于運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買摩天輪成本很高，現(xiàn)在存在的大部分出名的摩天輪的基本購(gòu)買價(jià)格都上億，所以運(yùn)營(yíng)商很想在不影響結(jié)構(gòu)、安全的情況下盡量讓摩天輪運(yùn)行。

本文采用ansys軟件對(duì)積雪載荷對(duì)摩天輪結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行對(duì)比分析后，又通過積雪融化后的裹冰載荷進(jìn)行分析，確定積雪載荷對(duì)摩天輪結(jié)構(gòu)的實(shí)際影響。

1　積雪載荷計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［2］規(guī)定，在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)能承受雪載荷，積雪厚度不超過80mm時(shí)，施加在游樂設(shè)施總體表面上的雪載荷，按照0.2 kN/m2的雪壓進(jìn)行計(jì)算。如果積雪厚度超過80mm，其載荷計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［3］規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)文獻(xiàn)［3］表E.5和圖E.6.1數(shù)據(jù)［4］，新疆、西藏的高海拔山區(qū)和山口地區(qū)除外，內(nèi)蒙古及西藏牧場(chǎng)地區(qū)除外，我國(guó)中東部個(gè)別高海拔山峰除外，我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)50年一遇積雪的雪壓小于0.8 kN/m2.

雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

Sk=μrSO

式中：

Sk為雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；

μr為積雪分布系數(shù)；

SO為基本雪壓，取0.8 kN/m2；

因此圓管的雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值為：

Skg=μrSO=1×0.8＝0.8 kN/m2

由于有限元中模型都是梁?jiǎn)卧⒐?，所以不同管的直徑其線載荷也不一樣，根據(jù)下式計(jì)算積雪尺寸

r=0.866 R

式中：R為圓管的外直徑。

根據(jù)不同管的直徑可以計(jì)算出各管承受的線載荷如表1所示。

表1　各圓管結(jié)構(gòu)承受的雪載荷

計(jì)算時(shí)還包括其它載荷：結(jié)構(gòu)自重、乘客的重量以及驅(qū)動(dòng)力。

2　摩天輪積雪載荷ansys分析

（1）摩天輪有限元基本模型如圖1（a），尺寸如圖1（b），應(yīng)用軟件ansys14.5，支承柱采用Shell 181板殼單元建立，轉(zhuǎn)盤采用Beam 188梁?jiǎn)卧ⅲ嗇椝鞑捎肔ink 188桿單元建立，轉(zhuǎn)盤支承軸采用Shell 181、Beam 188混合單元建立，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)采用Combination14單元建立。

圖1　摩天輪有限元模型與二維尺寸圖

（2）積雪情況下不運(yùn)行摩天輪

空載工況下雪載荷計(jì)算結(jié)果如圖2（a）所示，最大應(yīng)力為137.3 MPa，位置在側(cè)支承柱底端，其最大應(yīng)力位置如圖2（b），主支承柱的最大應(yīng)力為105.6 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖2（c）所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力為119.7 MPa，轉(zhuǎn)盤整體受力如圖2（d）所示，最大鋼絲繩拉力為910.4 kN.

圖2　50年一遇雪載荷非運(yùn)行工況下應(yīng)力云圖及變形圖

（3）積雪情況下運(yùn)行摩天輪

偏載工況下雪載荷計(jì)算結(jié)果如圖3（a）所示，最大應(yīng)力為137.3 MPa，位置在側(cè)支承柱底端，其最大應(yīng)力位置如圖3（d），主支承柱的最大應(yīng)力為105.2 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖3（c）所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力為119.3 MPa，轉(zhuǎn)盤整體受力如圖3（d）所示，最大鋼絲繩拉力為914.8 kN．

圖3　50年一遇雪載荷運(yùn)行工況下應(yīng)力云圖及變形圖

通過上述兩個(gè)典型工況計(jì)算可以看出，在積雪存在的情況下有乘客和沒有乘客，其應(yīng)力基本等于沒有變化，變形基本沒有變化，鋼絲繩力增加了0.5%，因此認(rèn)為如果積雪情況下無乘客符合《游樂設(shè)施安全規(guī)范》工作時(shí)的安全要求，那么摩天輪可以工作。

3　后續(xù)計(jì)算

雖然積雪情況下可以進(jìn)行工作，但是如果積雪不進(jìn)行清掃直接進(jìn)行運(yùn)行會(huì)有后續(xù)的情況發(fā)生，即當(dāng)氣溫升高，積雪融化，沒有及時(shí)清理就會(huì)出現(xiàn)裹冰，在這種情況下，對(duì)摩天輪進(jìn)行計(jì)算。

由于圖3中計(jì)算的積雪載荷按厚度計(jì)算認(rèn)為是320 mm的積雪，那么化成冰，認(rèn)為裹冰載荷為10 mm，則計(jì)算結(jié)果如圖4（a）所示，最大應(yīng)力為130.9 MPa，位置在側(cè)支承柱底端，其最大應(yīng)力位置如圖4（b），主支承柱的最大應(yīng)力為104.4 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖4（c）所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力為121.4 MPa，轉(zhuǎn)盤整體受力如圖4（d）所示，最大鋼絲繩拉力為923.2 kN.

圖4　滿載加冰載荷工況下應(yīng)力云圖及變形圖

將計(jì)算結(jié)果匯總至表2所示，從表中可以看出冰載荷情況下，轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力比雪載荷情況下的大1.4%，鋼絲繩最大拉力大1.4%，從工程上看這些差值是可以忽略的。

表2　計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

4　結(jié)束語

根據(jù)計(jì)算可以得出，如果在無人乘坐的摩天輪上積雪產(chǎn)生的應(yīng)力、位移以及鋼絲繩的拉力符合工作狀態(tài)下的安全要求，滿足安全系數(shù)，那么在此積雪情況下可以進(jìn)行人員乘坐，同時(shí)即使積雪在氣溫高的情況下融化，那么融化后的裹冰載荷仍然滿足工作條件，所以摩天輪可以運(yùn)行。

本論文采用的比較大的積雪載荷進(jìn)行計(jì)算，并且此計(jì)算不能適合任何摩天輪，因此在針對(duì)不同的摩天輪應(yīng)針對(duì)實(shí)際情況限制積雪載荷的厚度，不能無限制運(yùn)行。

［1］GB18164-2008，《觀覽車類游藝機(jī)通用技術(shù)條件》［S］.

［2］GB8408-2008，游樂設(shè)施安全規(guī)范［S］.

［3］GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范［S］.

［4］GB50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Effects Analysis of Snow Load on Ferris Wheel

XUWei1，WANGWeng-jing1，WANG Shi-rou1，JANG Hai-bo1，WANG Pan-pan2
（1.DaLian YILIYA Construction Machinery Co..ltd，Dalian Liaoning 116023，China；2.DalianYiWang Technology Co..ltd，Dalian Liaoning 116023，China）

Usually it is not allowed to run the ferris wheel in snowy day.But how much effect does the snow load has on running ferris wheel.In this article it is analyzed about snow load in view of this phenomenon.The comparison between the running of the wheel and the non-running wheel ismade by ANSYS simulation.And it is analyzed according to the other effects of the snow.Ferriswheel can still run when there is snow load.

ferriswheel；snow load；ansys simulation analysis

TU312.1

A

1672-545X（2016）05-0086-03

2016-02-02

徐偉（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析。