NFX|A类游乐设备结构分析设计
游乐设备作为事关大众的特种设备，引入有限元分析可以最大程度保证设计的安全可靠，为游乐设施的开发开辟了新篇章[1]。本文利用著名的全中文有限元分析软件
midas NFX 对某型游乐设备进行详细的设计计算，考虑各种载荷自重、离心力、风载、地震载荷等及组合，模拟运行和非运行状态下的受力，并计算出结果。结果表明设计结构符合设计要求，有限元在游乐设备中应用更方便，分析结果更全面，更适合于象游乐设备此类特种设备的分析计算。
本项目采用全中文有限元分析软件midas NFX进行计算分析。midas NFX具有丰富的国标材料数据库，自动生成报告书、快速建模等特色功能有效地促进建模及分析速度，提高产品设计效率。 大臂是本设备的主要结构，包括旋转座、承重臂、配重臂、座舱臂等部分，模型如图1所示。
考虑大臂的结构，主要采用板单元，厚度参考设计尺寸。 材料采用Q235B，弹性模量
MPa 密度7850kg/m3，屈服强度235MPa ，抗拉强度400MPa，直接从材料数据库中选择相应的材料。
● 1.1.3 约束边界
根据实际情况定义分析模型的边界条件：回转支承相对应螺栓孔和旋转中心刚接，旋转中心固定约束，约束如图2所示。
● 1.1.4 加载
1）自重
大臂的自重按模型，由程序计算；按大臂所处位置分2种，底部时受垂直向下的自重即Y向，水平时受水平向下的自重即Z向；考虑大臂上的一些装饰件及、边角、焊缝的因素，自重考虑1.1的放大系数。
2）座舱给大臂之座舱臂立杆的力
游乐设备在运行时，大臂还受到座舱的作用力，作用力计算见表1。
3）离心力
离心力包括大臂自身及座舱和乘客产生的，两者计算方法分别：大臂的离心力由程序计算，转速15.5r/min，座舱、乘客的离心力包括在“座舱给大臂的力”。
4）风载荷
根据《建筑结构载荷规范》风载荷标准值，风载荷按下面公式计算:设备高度19m, 自振周期:0.013×19=0.247s,查有关规范,风载荷标准值分考虑运行状态和非运行状态两种，计算如下详述。运行状况最大风速为ν0=15m/s，则 
=0.14kN/m2，运行状况风荷载见表2。
基本风压按50年一遇进行选取，取基本风压为0.85kN/m2，则可以覆盖全国绝大部分地区，于是非工作状态下的风载荷为见表3。
5）地震载荷对设备的作用
本设备适宜按照丙类建筑抗震设计，根据《建筑抗震设计规范》相关要求，丙类建筑应符合本地区抗震设防烈度的要求。因此,按照使用区域覆盖范围。本设备抗震设防烈度取8级。8级地震对设备产生的水平加速度 
地震载荷计算公式为: 
底部位置满载状态时最大应力约为39.6MPa,发生在大臂加强杆连接位置，如图3所示。
水平位置满载状态时最大应力约为68.7MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图4所示。
底部位置偏载状态时最大应力约为32.0MPa,发生在大臂加强杆连接位置，如图5所示。
水平位置偏载状态时最大应力约为66.3MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图6所示。
5）大风状态
大风状态时最大应力约为93.4MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图7所示。
6）地震状态
地震载状态时最大应力约为56.6MPa,发生在大臂旋转位置附近，如图8所示。
● 1.1.7 结果分析
最大应力为底部满载状态，最大应力68.7MPa，冲击系数1.5，安全系数为400/(68.7 x1.5)=5.82>3.5，2）非运行状态
大风状态最大应力93.4MPa
地震状态最大应力56.6MPa
最大应力为大风状态，最大应力93.4MPa，安全系数为235/93.4=2.52>1
满足“GB8408-2008游乐设施安全规范”的要求。
依据结构特点，主要采用板单元,厚度按照图纸.与大臂使用材料相同,材料采用Q235B，弹性模量 
密度7850kg/m3，屈服强度235MPa，抗拉强度400MPa。（1）座舱的自重按模型，由程序计算；按座舱所处位置分2种，底部时受垂直向下的自重即Y向，水平时受水平向下的自重即Z向；考虑座舱上的一些装饰件及、边角、焊缝的因素，模型自重考虑1.1的放大系数。座舱在底部时，自重作用在座板上700N/人；座舱处于水平位置时，自重作用在压杠横销孔上350N/孔。（1）座舱的离心力由程序计算，转速15.5r/min
作用在座舱座板上。
3）风载荷
与大臂计算类似，在此省略。
4）地震载荷对设备的作用
与大臂计算类似，在此省略。
● 1.2.5 荷载组合（见表5）
● 1.2.6 计算应力云图
底部位置满载状态时最大应力约为63.4MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图10所示。
2）水平位置满载状态
水平位置满载状态时最大应力约为54.2MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图11所示。
底部位置偏载状态时最大应力约为61.2MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图12所示。
水平位置偏载状态时最大应力约为52.6MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图13所示。
大风状态时最大应力约为93.9MPa,发生在座舱横支撑顶部位置附近，如图14所示。
地震状态时最大应力约为9.4MPa,发生在座舱加强筋位置附近，如图15所示。
满足“GB8408-2008游乐设施安全规范”的要求。2）非运行状态
大风状态最大应力94MPa
地震状态最大应力9.4MPa
最大应力为大风状态，最大应力94MPa
安全系数为235/94=2.5>1
满足“GB8408-2008游乐设施安全规范”的要求。
从大臂和座舱的演算结果来看，这个设备设计偏于保守，大部分结构具有较大的优化空间。考虑结构承载作用的大小不同，分别对大臂内部加强筋、主体结构、座舱的部分连接结构、主体结构等进行尺寸减薄优化。同样地,利用midas NFX进行优化分析，分析结果表明结构应力水平并未发生明显的提高，减重效果明显，而且符合设计要求。3 结论
综上所述，有限元软件可以详细获得游乐设备金属结构任一点的应力和挠度，通过负载组合，可以快速计算出不同状态下的刚度和强度值。 有限元方法对游乐设施金属结构的计算更全面，能够处理更复杂的计算模型，考虑更多的实际工况，因此是产品开发和设计中的有效工具。
