过山车的疲劳仿真分析

过山车的疲劳仿真分析

张鹏

深圳华侨城卡乐技术有限公司，518118

摘要：疲劳分析对于大型游乐设备行业的研究、发展有着非常重要的意义，本文抛砖引玉的介绍了一套从adams采集载荷谱、从workbench采集有限元模型，最后在ncode中结合计算产品寿命的完整的疲劳分析流程。

关键词：疲劳分析；ncode；adams；workbench；仿真模拟

对结构反复施加和卸除载荷时，结构可能会由于材料疲劳而在远低于理论静态强度的载荷下失效，这叫做疲劳现象，随着科技技术的进步，基于静力学的结构失效分析已经不能满足人们对于各种尖端设备的研究需要，疲劳分析受到无论国际还是国内越来越多学者和从业者的关注，纵观国内市场，航空领域和汽车领域是疲劳分析最为深入的领域，近些年，工程机械因为竞争的激烈，也相继展开了疲劳分析的研究工作，而作为对安全性有极度严格要求的大型游乐设备行业，这方面的研究还远远不足，行业标准GB8408《大型游乐设施安全规范》也只是引用了GB50017《钢结构设计规范》的相关条款而已，没有针对本行业的特殊性进入更深入的研究。

因为过山车是目前大型游乐设备行业最受欢迎、竞争也最激烈的设备，下面以某一公司设计的过山车设备为案例，结合笔者自己的学习、研究，介绍一套结合多学科、多专业软件的疲劳分析过程。

已知条件：某公司过山车及轨道的参数。

待解决问题：计算人体压杆底部销轴的疲劳寿命。

1、载荷谱采集

我们首先要采集设备运行的载荷谱，此处用多体动力学软件adams建立过山车运行的虚拟样机。

在车体上按照实际位置建立压杆模型，并在压杆上端设置一圆球，赋予人体重量75KG，模拟人体在运行过程中给予压杆的作用力（本文中，我们放大压杆的实际效果，忽略掉座椅对人体的作用）。

进行运算，并选择要计算的一根压杆，获取其底部三向作用力（注：三向作用力参考坐标系应以车体为准，而不能参考系统坐标系。）

将以上数据分别导出然后转入EXCEL文件中，然后用NCODE数据输入模块中的EXCEL数据转换命令，把数据处理为s3t文件，就是我们需要的载荷谱文件，如下：

2、有限元响应模型。

接下来，我们获取压杆底部销轴的有限元响应模型。

把销轴模型导入workbench中，细化网格，加载边界调节，设置三个载荷步，并按照载荷谱中三向作用力的方向，每一个载荷步给销轴加载一个数值为1N的作用力，获取有限元分析结果（在多轴向作用力状态下，设置载荷步是必须的，这可以成为NCODE区分作用力的依据）。从结果文件中到找到RST文件，即为我们所需的有限元响应模型。

3、疲劳分析

打开NCODE软件，因为该问题为高周疲劳问题，所以我们采用SN模型来进行计算，在界面中搭建如下的计算流程。

分别把我们之前准备的S3T文件和RST文件拖入相对应的接口中，作为计算依据，右键点击中间SN分析接口，选择EditMaterialMapping给模型赋予材料，然后选择EditLoadMapping把载荷谱中的三向力映射到对应的载荷通道。

此外，NCODE软件还可以添加许多疲劳计算必须的边界参数，如材料表面状况、缺口应力集中等，需根据实际情况选择，本文也不再一一赘述。

点击分析按钮，获得最后的寿命云图。

用热点功能，细化零件中十个寿命最短的单元位置。

可以看到，寿命最短的单元集中在销轴轴径变化的圆角处，这也复合力学常识，采集最短寿命数值3.3x1019作为衡量销轴寿命的依据，按照GB8408要求，大型游乐设备设计计算寿命不得低于35000h，按该过山每十分钟运行一次计算，该销轴的计算寿命应不小于2.1x105，该值远小于销轴3.3x1019的最短寿命，所以该销轴能满足工况需求。

至此，完成整个校核流程。

小结：

本文采用多体动力学软件adams，有限元分析软件workbench，配合疲劳分析软件ncode对具体案例进行分析，展现了现在机械设计中，多学科配合的重要性，对游乐设备进行深入的疲劳分析，具有很高的实用性和可行性，值得我们深入研究。