HDC56海盗船(A级)设计计算书

HDC56海盗船（A级）

设计计算书

作者：赵九峰

赵九峰：河南平顶山人，09年大连理工大学工程机械硕士毕业，CAD/CAE工程师，仿真

论坛AnsysWB版主；主要从事游乐设备设计、计算、有限元仿真，3D建模、

CAD制图、撰写设计计算说明书、申报鉴定文件，并对游乐设备设计、制造、申

报鉴定流程提供指导。

1.掌握三维Solidworks的应用技能，熟练应用Solidworks的镀金模块、焊件模

块和工程图模块；

2.熟练使用ANSYS、Workbench等做机械相关领域的结构计算和仿真分析；

3.掌握LS_DYNA的冲击分析和ADAMS的动力学分析；

4.熟练使用ICEM前处理软件，勾画出任意结构的六面体网格。

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2017年12月

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HDC56海盗船(B级)设计计算书

目录

第一部分总论.................................................................1

1概述..........................................................................1

2工作依据....................................................................2

3主要工作内容................................................................3

4计算模型简化说明与材料参数...................................................3

4.1计算模型简化说明..........................................3

4.2海盗船的材料参数.........................................3

5海盗船载荷特性分析..........................................................5

5.1工作载荷..................................................5

5.2风载荷....................................................10

5.3雪载荷和温度载荷.........................................13

5.4分析工况..................................................14

第二部分整体刚体动力学分析计算.............................................16

6刚体动力学分析..............................................................16

6.1概述......................................................16

6.2几何模型.................................................17

6.3载荷与约束...............................................17

6.4刚体动力学分析结果.......................................19

6.5小结......................................................25

第三部分主体部件分析计算......................................................26

7传动部件(HDC56.01)..................................................26

7.1有限元模型...............................................26

7.2载荷与约束..............................................26

7.3传动部件分析结果..........................................27

7.4传动部件焊缝验算........................................31

7.4.1焊缝计算概述......................................31

7.4.2机架焊缝计算.......................................33

7.5轴和销轴的计算............................................34

7.5.1概述................................................34

7.5.2驱动摩擦轮轴(HDC56.0102.3.1)....................36

7.5.3摇架转轴(HDC56.0102.1.7)和压杆连接销(HDC56.0106)

................................................................37

7.6摇架挂耳(HDC56.0102.1.6)、压簧底耳(HDC56.0101.4)和压簧耳板

(HDC56.0103.1.2).............................................39

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7.6.1有限元模型..........................................39

7.6.2载荷与约束.........................................40

7.6.3应力计算结果.......................................41

8船体部件(HDC56.02)和吊架部件(HDC56.03)..............................44

8.1有限元模型................................................44

8.2载荷与约束...............................................45

11.5工况1分析结果...........................................47

8.9工况2分析结果............................................57

8.5斜吊架连接板(HDC56.0211)和安全绳连接板(HDC56.0210).........67

8.5.1有限元模型..........................................67

8.5.2载荷与约束.........................................67

8.5.3计算结果...........................................69

8.6三角吊架轴承套组焊件(HDC56.0302.1)......................71

8.6.1有限元模型..........................................71

8.6.2载荷与约束.........................................72

8.6.3分析结果.............................................73

8.7吊架部件轴的计算.........................................74

8.8船体部件焊缝验算..........................................76

8.9吊架部件焊缝验算..........................................77

9支架部件(HDC56.04)..............................................79

9.1有限元模型...............................................79

9.2载荷与约束...............................................80

9.3工况1计算结果...........................................82

9.4工况2计算结果...........................................86

9.5横梁保险绳挂耳(HDC56.0401.3)............................90

9.5.1有限元模型..........................................91

9.5.2载荷与约束.........................................91

9.5.3分析结果.............................................92

9.6支架部件焊缝验算.........................................93

10主体分析结果汇总.................................................95

10.1结果汇总表.............................................95

12.5小结....................................................98

第四部分座椅与站台分析计算...........................................99

11乘人加速度与安全带验算.............................................99

12座椅主架(HDC56.0203.1)的计算.....................................100

12.1有限元模型.............................................100

12.2载荷与约束.............................................101

12.3应力计算结果...........................................101

13安全杠组焊件(HDC56.0203.2).........................................103

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13.1有限元模型.............................................103

13.2载荷与约束............................................103

13.3应力计算结果..........................................104

14止转齿轮和止转插销（HDC56.0203.4/5）.................................106

14.1有限元模型..............................................106

14.2载荷与约束............................................106

14.3应力计算结果..........................................107

15安全杠转轴（HDC56.0203.2.1）的计算................................109

16围栏部件（HDC56.05）的计算........................................111

16.1有限元模型.............................................111

16.2载荷与约束.............................................112

16.3应力计算结果...........................................113

17座椅与围栏焊缝验算..............................................117

18座椅与站台分析结果汇总...........................................119

18.1结果汇总表..............................................119

18.2小结.....................................................120

第五部分其他类型分析..............................................121

19二次保险钢丝绳的计算............................................121

20海娜的模就析.................................................121

20.1载荷及约束...............................................121

20.2海盗船的模态分析结果....................................122

20.3小结...................................................124

21海盗船立柱支架屈曲分析（HDC56.04）.....................................124

21.1屈曲分析结果.............................................124

21.2小结.....................................................125

22地震瞬计算...................................................125

22.1载荷特性分析............................................125

22.2地震作用计算结果.........................................127

22.2.1水平地震作用计算结果（轴向）......................127

22.2.2水平地震作用计算结果（径向）......................130

22.2.3合成地震作用计算结果..............................133

22.3地震计算结果汇总.......................................136

23极限风载计算....................................................136

23.1载荷特性分析...........................................136

23.2计算结果（轴向极限风载）...............................137

23.3计算结果（摆动方向极限风载）...........................139

23.4极限风载荷计算结果汇总.................................142

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24螺栓的计算.................................................................143

25电机的计算.................................................................144

25.1船体部件传动比验算.............................................144

25.2船体部件驱动电机验算...........................................144

26电液推杆和制动器的校核计算...............................................145

26.1电液推杆的校核计算............................................145

26.2制动器的校核计算...............................................145

27带传动的计算..............................................................146

28轴承的计算.................................................................148

28.1带立座球面球轴承的验算........................................148

28.2深沟球轴承的验算...............................................148

29基础受力和基础地脚螺栓的计算............................................149

30结论.......................................................................151

附表1海盗船结构分析结果一览表..............................................153

附表2海盗船其他类型分析结果一览表.........................................157

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第一部分总论

1概述

随着我国经济的快速发展，游乐设施在人们日常生活等领域得到越来越广

泛的应用，海盗船属于大型游乐设施海盗船类的一个品种，游客乘坐在座椅上

往复摆荡，令人目眩神迷，惊心动魄。

海盗船是一种观览车类游艺机，是一种绕水平轴往复摆动的游乐项目。该

种游艺机因造型图同而名称各异，“海盗船”因为其外形仿古代海盗船而得名,

造型为美洲印第安部落风格。

海盗船是既惊险又刺激的娱乐项目。乘客由上客梯上船，坐在座位上将安

全保护杆压到合适的位置，起动后从缓慢摆动到急速摆动，犹如乘客乘船出海

遇到大风骇浪，海盗船时而冲上浪涛之颠，时而跌落波澜的谷底惊心动魄，既

有趣又刺激，深受乘客喜爱。海盗船的结构简图如图l-lo

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表1-1海盗船的基本信息

设备名称海盗船

主体材质Q235B

设计/制造单位九峰游乐设备CAD/CAE工作室

单侧最大摆角65°

设备总高12.5m

乘坐人数(成人)56人

驱动功率31.5kW

辅助功率6kW

技术参数

船底半径10.0m

最大运行速度8.9m/s

设备总质量11.5t

占地面积17X10.3m2

运行高度9.Om

2工作依据

(1)“海盗船”设计图纸(图纸编号：HDC56)；

(2)GB8408-2008《游乐设施安全规范》；

(3)GB/T18164-2008《海盗船类游艺机通用技术条件》；

(4)GB50009-2012《建筑结构荷载规范》；

(5)GB50011-2010《建筑抗震设计规范》；

(6)JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》；

(7)GB5611-2008《起重机设计规范》；

(8)GB8918-2006《重要用途钢丝绳》；

(9)《机械设计手册》化学工业出版社；

(10)《起重机设计手册》中国铁道出版社，张质文主编；

(11)《工程力学》高等教育出版社，范钦珊主编，第二版；

(12)《机械设计》高等教育出版社，濮良贵主编，第二版；

(13)《机械装备金属结构设计》机械工业出版社，徐格宁主编，第二版;

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（14）《起重机械金属结构》上海交通大学出版社，董达善主编。

3主要工作内容

1）建立海盗船传动部件、船体部件、吊架部件和支架部件的有限元数值

分析模型；

2）计算海盗船传动部件、船体部件、吊架部件和支架部件在满载、偏载作

用下的应力；

3）关键部位（销轴、关键焊缝）的强度分析及疲劳校核；

4）座椅组件的强度分析及疲劳校核；

5）海盗船主体的模态分析；

6）海盗船立柱支架的屈曲分析；

7）特殊载荷（风载、地震载荷）下的分析；

8）防止倾覆和防止侧滑的计算；

9）电机、螺栓和轴承等部件的验算。

4计算模型简化说明与材料参数

4.1计算模型简化说明

海盗船主体分析采用板壳单元和梁单元的力学模型。电机、座椅、螺栓、

筋板等附属质量产生的载荷，施加在海盗船的整个钢架结构上，模拟这些附属

构件对整个海盗船主体钢架结构产生的影响。局部部件分析，考虑模型细节

（轴、焊缝等），利用经典力学公式，进行局部分析的理论核算。

4.2海盗船的材料参数

海盗船部件在Solidworks软件中进行精细化建模并提取质量，如表4-lo

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表4-1海盗船主要部件及质量

序号部件名称图号数量材料单重(Kg)总重(Kg)

1传动部件HDC56.01HDC56.011Q235B15621562

船体龙骨组焊件HDC56.02011Q235B1024

船体甲板组焊件HDC56.02021Q235B421

船体部件

2HDC56.0203/6/2950

HDC56.02座椅组件8Q235B420

9

中间栅栏组件HDC56.02051Q235B115

三脚架组焊件HDC56.03012Q235B415

吊架部件

3三角吊架轴承套组件HDC56.0302245621056

HDC56.03

吊架检修平台组件HDC56.03032Q235B56

支架部件横梁组焊件HDC56.04011Q235B564

41985

HDC56.04立柱支架组件HDC56.04302Q235B161

5站台总装HDC56.05HDC56.051Q235B17521752

主体结构材料：Q235B钢；销轴的材料为：45#钢；螺栓采用高强螺栓

(1=800MPa)。材料力学参量为：弹性模量E=2X10'MPa,泊松比y=0.3。

由《机械设计手册》化学工业出版社，游乐设施主要材料性能参数如表4-2

所示。

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表4-2主要材料性能表

强度设计值屈服强度破断强度弯曲疲劳极限扭转疲劳极限

厚度或直径

牌号0.1O.6b0-1T-1

(mm)

(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)

<16215235180105

>16~40205225180105

Q235B390

>40~60200215180105

>60^100190205180105

45#<100\360660270165

(轴类调质)100〜200\345610240140

20钢<16\24517599

(结构用无缝16~30\23543016998

钢管)>30\22516696

5海盗船载荷特性分析

5.1工作载荷

海盗船的船体部件和吊架部件，在传动部件驱动轮作用下沿横臂的中心轴

线做往复摆动，座椅安装在船体上，随着整个船体做摆动运动。把整个船体和

乘人当做质点考虑，载荷作用示意图如图5T所示：

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mg

图5-1海盗船载荷示意图

如图5T,船体(包含乘人)从最高点下落过程中，下落高度：

H=R(cos6-cos55。)(5-1)

其中：R一船底的回转半径，取最大值10.0m；

。一吊架中心线与竖直方向的夹角，即摆角。

下落过程中，仅受到重力的作用，机械能守恒：

2

mgH=-^mv1(5~2)

其中：出一船体(包含乘人)摆动部分的简化质量；

B一标准重力加速度，lO.Om/s?；

%—船体运动的瞬时速度。

海盗船在摆动过程中，绕着吊架上销轴中心轴线，做圆周运动，由圆周运

动的向心力公式：

(5-3)

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沿吊架中心线方向上，摆动部分受到重力和船体的拉力，如图5T,则：

（5-4）

其中：J一吊架的拉力。

联立公式（5-1）、（5-2）、（5-3）和（5-4）可得：

耳=〃zg（3cos。一2cos43。）（5-5）

船体部件在整个摆动周期（驱动完成后），仅受到重力和向心力作用，公

式（5-5）表明，摆角夕=0°,即船体运动到最低点时，受到（3-2cos65°）g=1.85g

的加速度，属于物理学中的超重现象，重力势能全部转化为动能，悬臂部件受

到的载荷最大。因此，仅对摆角I=0°时，海盗船摆动部件进行分析计算。则

海盗船摆动的总质量（忽略吊架部件的质量）：

加=（g+38叫）（5-6）

其中：叫一船体和吊架部件质量（表4T,P4）,3530kg；

加，一乘人质量700N/人，则：%=支=则=71.4kg,保守计算取

'g9.8

75kg；

数据代入公式（5-5）得：

满载时吊架的拉力：

耳=（3530+38x72）x9.8x（3cos00-2cos550）=113777N；

偏载时吊架的拉力（单侧19人）：

=（3530+19x72）x9.8x（3cos00-2cos550）=88937N；

满载时船体总重量3530+56X75=6266kg,偏载时船体总重量3530+19X

75=4898kg,最大速度为&9m/s（相当于角速度9.53r/min）。

则满载时海盗船的转动惯量：

J=mR2=6266x8.422=444237Kgm2（5-7）

则偏载时海盗船的转动惯量：

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/=小收=4898x8.422=347551Kgm2

由于海盗船为单摆力学类型，分6次驱动，达到最大速度，模拟海盗船在

整个运行周期内的各种参数。总的驱动时间为18s。

则满载时海盗船的驱动扭矩：

,Jn442129x9.53

T=----=-----------=24511Nvm(5-8)

9.55r9.55x18

则偏载时海盗船的驱动扭矩：

丁Jn347251x9.53

T=----=-----------=19251Nm

9.55/9.55x18

海盗船的载荷示意图如图5-2所示。

最大驱动扭矩T=24511Nm,对应半径R=10.0m,则摩擦驱动力:

T24511

F=L=SU=2911N(5-9)

qR8.42

驱动轮轮胎与船底的摩擦系数/=0.6,则对应的驱动轮压紧力:

F2911

F.=」=——=4852N(5-10)

'f0.6

力的方向向下。

根据杠杆原理，摇架挂耳处的载荷:

(5-11)

其中:〃一摇架挂耳到支点的距离，有图纸HDC56.01可知，值为1246mln；

万一驱动轮到支点的距离，有图纸HDC56.01可知，值为757mm。

根据杠杆原理，推动器处的载荷：

皂=2948x280=2948N(5-12)

"d280

其中：c一摇架挂耳到立杆的距离，有图纸HDC56.01可知，值为290mm；

4一推动器到立杆的距离，有图纸HDC56.01可知，值为290mm。

则立杆承受的载荷为:2X2948=5896NO

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图5-2驱动载荷示意图

海盗船属于旋转类设备。最大的旋转速度(线速度)为最低点时的瞬时速度：

%=j2gR(cos"cos55°)(5-13)

=x9.8x8.42X(cos。-cos55°)=8.9m/s

由《游乐设施安全规范》释义第4.2.3.2节：同类别的游乐设施采用同一

冲击系数，显然是不合理的，因此，以速度大小确定冲击系数是比较科学的；

有的游乐设施其乘人部分有公转也有自转，还可能同时有升降，我们称之为组

合运动，其速度的取值应取几种运动合成速度的最大值。

根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》中表1：海盗船的速度最大值大于

5m/s,同时小于10m/s,通过插值，可取摇头飞椅的冲击系数为K=l.436,保

守计算,取K=L5。

设备的自重为永久载荷(其中乘人用质量单元模拟，等效为永久载荷)，

在冲击载荷作用下，等效的重力加速度为：

g'=gK=10.0X1.5=14.7m/s?(5-14)

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5.2风载荷

根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》中4.2.2.7节：风载荷分为工作

状态载荷和非工作状态载荷；游乐设施的设计，按最大运行风速15m/s计算工

作状态下的风载荷；在静止状态应能承受当地气象数据提供的风载荷。

由《起重机机械金属结构》：计算风载荷时，认为它是一种任意方向作用

的水平力，工作状态风载荷是正常工作情况下所能承受的最大计算风载荷，非

工作状态下风载荷是非正常工作情况下受到的最大计算风载荷。

根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》7.1.1的规定，计算主要承重结

构时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：

wk=P:usu：w0(5-15)

其中：唯一风载荷标准值；

片一高度z处的风振系数，

式中：J—对于钢结构，根据《载荷规范》附录E.1.1,基本自振

周期取大值；

7；=(0.007-0.013)//=0.013x10=0.13

贝=。14x0.132=0.00237kNs7m2,根据表7.4.3可知

对于地面粗糙度B类地区应按基本风压代入，即0.0024kNs7m1

利用线性插值法，得：

I57—147

^^1.47+—~—x(0.0033-0.01)=1.4

0.02-0.01''

同理，非工作风载时，4=1.57

。一脉动影响系数，总高度和宽度比值近似为1,根据《载荷

规范》表7.4.4-3,10m时，取0.46；

。一型振系数，如图5.3所示，保守计算，取最大值为1.0；

4—风压高度变化系数，如图5-4所示。

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表F.0.2高耸结构的振型系数

相对高度振型序号

z/H1234

0.10.02-0.090.23-0.39

0.20.06-0.300.61-0.75

0.30.14-0.530.76-0.43

0.40.23-0.680.530.32

0.50.34-0.710.020.71

0.60.46-0.59-0.480.33

0.70.59-0.32-0.66-0.40

0.80.790.07-0.40-0.64

0.90.860.520.23-0.05

1.01.001.001.001.00

图5-3高耸结构的振型系数

1.4x0.46x1.0

综上,工作风载时:A=1+=1.6

1.0

1.57x0.46x1.0

非工作风载时:住=1+=1.7

1.0

保守计算，月取值2.0。

4—风荷载体型系数，海盗船船体、吊架和支架。考虑到海盗船的

主体结构为桁架结构，因此可类比《建筑结构载荷规范》表7.3.1中

第32项来计算体型系数。

A71

侧向挡风系数。=2=3=0.15（4为海盗船的静投影面积；A

A140

为海盗船的轮廓面积），考虑到吊架、横梁等因素影响，取。=0.2。

海盗船主体结构由圆管杆件构成，则体形系数3,所以，体形系

数%=〃0=L3XO.2=0.260

风压高度变化系数，海盗船的高度12.5m,地面粗糙可类比

7.2.1中的B类（稀疏的城镇和城市郊区），查下表可得不同

高度下的牝，10m取1.0,风压高度变化系数，如图5.4所示。

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离地面或地面粗糙度类别

海平面高度（m）ABCD

51.171.000.740.62

101.381.000.740.62

151.521.140.740.62

201.631.250.840.62

301.801.421.000.62

401.921.561.130.73

502.031.6711.250.84

602.121.771.350.93

702.201.861.451.02

802.271.951.541.11

902.342.021.621.19

1002.402.091.701.27

1502.642.382.031.61

2002.832,612.301.92

2502.992.802.542.19

3003.122.972.752.45

3503.123.122.942.68

4003.123.123.122.91

.>4503.123.123.12

图5-4风压高度变化系数

—基本风压值。工作状态下，风速为15m/s,对应的风压为140N/m2

（标准状况下，风压=140N/m2）；非工作状态下，根据GB50009

《建筑结构载荷规范》，中国沿海地区（包括海南岛）50年一

2

遇的风压值为700N/mo

以上数据代入公式（5-15）求的：

工作状态下的风荷载标准值：

%=见〃，牝%=2.0X0.26X1.0X140=75.8N/m2；

非工作状态下的风荷载标准值：

吸=隹"也吸）=2.0X0.26X1.0X700=468N/m2；

海盗船上受到的风载荷：入尸吗4（5-16）

数据代入公式（5-16）,求得：

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工作状态下的侧向风载荷：Fv,=75.8X21=1529N；

非工作状态下的侧向风载荷：

工=468X21=9828N；

非工作状态下的摆动方向风载荷（摆动方向的静投影面积为17.5m?）：

FW=468X17.5=8190N；

风载作为外载荷，施加在海盗船最不利的方向（由于是对称旋转结构，施

加在迎风面积最大方向上，工作状态下，船体可自由摆动，因此工作状态仅考

虑侧向风载荷影响，非工作状态下，考虑侧向和摆动方向风载荷影响）。

5.3雪载荷和温度载荷

由《游乐设施安全规范》：游乐设施的设计，在静止状态下应能承受雪载

荷，积雪厚度不超过80mm时，施加在游乐设施总体表面的雪载荷，按照

0.2KN/m2的雪压进行计算。释义：该条主要针对积雪面积比较大的游乐设施。

W=辱3（5-17）

其中：F，一雪压，按照0.2KN/m2计算；

七一顶棚的投影面积。

由于海盗船没有顶棚结构，故不需要考虑雪载荷。

游乐设备一般情况下不考虑温度载荷，由《起重机金属结构》：对跨度超

过30m的超静定结构，则应当考虑因温度变化引起的结构件膨胀或收缩受到约

束所产生的载荷。海盗船的底座宽度大约14m,故不需要考虑温度载荷。

地震载荷分析，见23节。

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5.4分析工况

海盗船运行过程中，整体主要结构受到离心力、重力、冲击载荷等作用，需

分不同的工况，由海盗船结构可知，仅在满载（即有乘人）并运行到最低点时，

受到载荷最大，计算海盗船传动部件、船体部件、吊架部件主体及局部的受力

状况。

建立有限元模型，施加载荷约束，在高性能计算机上进行模拟计算，根据

设备的运行特性，海盗船主体分为传动部件、船体部件、吊架部件、支架部件、

座椅分析和其它类型分析等。

由以上载荷分析计算，海盗船共分为5种工况进行计算，各工况说明见表

5-1,分别对各工况进行计算校核。

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