HDC56海盜船(A級)設計計算書

HDC56海盜船（A級）

設計計算書

作者：趙九峰

趙九峰：河南平頂山人，09年大連理工大學工程機械碩士畢業(yè)，CAD/CAE工程師，仿真

論壇AnsysWB版主；主要從事游樂設備設計、計算、有限元仿真，3D建模、

CAD制圖、撰寫設計計算說明書、申報鑒定文件，并對游樂設備設計、制造、申

報鑒定流程提供指導。

1.掌握三維Solidworks的應用技能，熟練應用Solidworks的鍍金模塊、焊件模

塊和工程圖模塊；

2.熟練使用ANSYS、Workbench等做機械相關領域的結構計算和仿真分析；

3.掌握LS_DYNA的沖擊分析和ADAMS的動力學分析；

4.熟練使用ICEM前處理軟件，勾畫出任意結構的六面體網(wǎng)格。

九峰游樂設備CAD/CAE工作室

2017年12月

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HDC56海盜船(B級)設計計算書

目錄

第一部分總論.................................................................1

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

2工作依據(jù)....................................................................2

3主要工作內(nèi)容................................................................3

4計算模型簡化說明與材料參數(shù)...................................................3

4.1計算模型簡化說明..........................................3

4.2海盜船的材料參數(shù).........................................3

5海盜船載荷特性分析..........................................................5

5.1工作載荷..................................................5

5.2風載荷....................................................10

5.3雪載荷和溫度載荷.........................................13

5.4分析工況..................................................14

第二部分整體剛體動力學分析計算.............................................16

6剛體動力學分析..............................................................16

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

6.2幾何模型.................................................17

6.3載荷與約束...............................................17

6.4剛體動力學分析結果.......................................19

6.5小結......................................................25

第三部分主體部件分析計算......................................................26

7傳動部件(HDC56.01)..................................................26

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

7.2載荷與約束..............................................26

7.3傳動部件分析結果..........................................27

7.4傳動部件焊縫驗算........................................31

7.4.1焊縫計算概述......................................31

7.4.2機架焊縫計算.......................................33

7.5軸和銷軸的計算............................................34

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

7.5.2驅動摩擦輪軸(HDC56.0102.3.1)....................36

7.5.3搖架轉軸(HDC56.0102.1.7)和壓桿連接銷(HDC56.0106)

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

7.6搖架掛耳(HDC56.0102.1.6)、壓簧底耳(HDC56.0101.4)和壓簧耳板

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

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

7.6.2載荷與約束.........................................40

7.6.3應力計算結果.......................................41

8船體部件(HDC56.02)和吊架部件(HDC56.03)..............................44

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

8.2載荷與約束...............................................45

11.5工況1分析結果...........................................47

8.9工況2分析結果............................................57

8.5斜吊架連接板(HDC56.0211)和安全繩連接板(HDC56.0210).........67

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

8.5.2載荷與約束.........................................67

8.5.3計算結果...........................................69

8.6三角吊架軸承套組焊件(HDC56.0302.1)......................71

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

8.6.2載荷與約束.........................................72

8.6.3分析結果.............................................73

8.7吊架部件軸的計算.........................................74

8.8船體部件焊縫驗算..........................................76

8.9吊架部件焊縫驗算..........................................77

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

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

9.2載荷與約束...............................................80

9.3工況1計算結果...........................................82

9.4工況2計算結果...........................................86

9.5橫梁保險繩掛耳(HDC56.0401.3)............................90

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

9.5.2載荷與約束.........................................91

9.5.3分析結果.............................................92

9.6支架部件焊縫驗算.........................................93

10主體分析結果匯總.................................................95

10.1結果匯總表.............................................95

12.5小結....................................................98

第四部分座椅與站臺分析計算...........................................99

11乘人加速度與安全帶驗算.............................................99

12座椅主架(HDC56.0203.1)的計算.....................................100

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

12.2載荷與約束.............................................101

12.3應力計算結果...........................................101

13安全杠組焊件(HDC56.0203.2).........................................103

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

13.2載荷與約束............................................103

13.3應力計算結果..........................................104

14止轉齒輪和止轉插銷（HDC56.0203.4/5）.................................106

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

14.2載荷與約束............................................106

14.3應力計算結果..........................................107

15安全杠轉軸（HDC56.0203.2.1）的計算................................109

16圍欄部件（HDC56.05）的計算........................................111

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

16.2載荷與約束.............................................112

16.3應力計算結果...........................................113

17座椅與圍欄焊縫驗算..............................................117

18座椅與站臺分析結果匯總...........................................119

18.1結果匯總表..............................................119

18.2小結.....................................................120

第五部分其他類型分析..............................................121

19二次保險鋼絲繩的計算............................................121

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

20.1載荷及約束...............................................121

20.2海盜船的模態(tài)分析結果....................................122

20.3小結...................................................124

21海盜船立柱支架屈曲分析（HDC56.04）.....................................124

21.1屈曲分析結果.............................................124

21.2小結.....................................................125

22地震瞬計算...................................................125

22.1載荷特性分析............................................125

22.2地震作用計算結果.........................................127

22.2.1水平地震作用計算結果（軸向）......................127

22.2.2水平地震作用計算結果（徑向）......................130

22.2.3合成地震作用計算結果..............................133

22.3地震計算結果匯總.......................................136

23極限風載計算....................................................136

23.1載荷特性分析...........................................136

23.2計算結果（軸向極限風載）...............................137

23.3計算結果（擺動方向極限風載）...........................139

23.4極限風載荷計算結果匯總.................................142

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24螺栓的計算.................................................................143

25電機的計算.................................................................144

25.1船體部件傳動比驗算.............................................144

25.2船體部件驅動電機驗算...........................................144

26電液推桿和制動器的校核計算...............................................145

26.1電液推桿的校核計算............................................145

26.2制動器的校核計算...............................................145

27帶傳動的計算..............................................................146

28軸承的計算.................................................................148

28.1帶立座球面球軸承的驗算........................................148

28.2深溝球軸承的驗算...............................................148

29基礎受力和基礎地腳螺栓的計算............................................149

30結論.......................................................................151

附表1海盜船結構分析結果一覽表..............................................153

附表2海盜船其他類型分析結果一覽表.........................................157

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第一部分總論

1概述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，游樂設施在人們?nèi)粘Ｉ畹阮I域得到越來越廣

泛的應用，海盜船屬于大型游樂設施海盜船類的一個品種，游客乘坐在座椅上

往復擺蕩，令人目眩神迷，驚心動魄。

海盜船是一種觀覽車類游藝機，是一種繞水平軸往復擺動的游樂項目。該

種游藝機因造型圖同而名稱各異，“海盜船”因為其外形仿古代海盜船而得名,

造型為美洲印第安部落風格。

海盜船是既驚險又刺激的娛樂項目。乘客由上客梯上船，坐在座位上將安

全保護桿壓到合適的位置，起動后從緩慢擺動到急速擺動，猶如乘客乘船出海

遇到大風駭浪，海盜船時而沖上浪濤之顛，時而跌落波瀾的谷底驚心動魄，既

有趣又刺激，深受乘客喜愛。海盜船的結構簡圖如圖l-lo

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表1-1海盜船的基本信息

設備名稱海盜船

主體材質Q235B

設計/制造單位九峰游樂設備CAD/CAE工作室

單側最大擺角65°

設備總高12.5m

乘坐人數(shù)(成人)56人

驅動功率31.5kW

輔助功率6kW

技術參數(shù)

船底半徑10.0m

最大運行速度8.9m/s

設備總質量11.5t

占地面積17X10.3m2

運行高度9.Om

2工作依據(jù)

(1)“海盜船”設計圖紙(圖紙編號：HDC56)；

(2)GB8408-2008《游樂設施安全規(guī)范》；

(3)GB/T18164-2008《海盜船類游藝機通用技術條件》；

(4)GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》；

(5)GB50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》；

(6)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》；

(7)GB5611-2008《起重機設計規(guī)范》；

(8)GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》；

(9)《機械設計手冊》化學工業(yè)出版社；

(10)《起重機設計手冊》中國鐵道出版社，張質文主編；

(11)《工程力學》高等教育出版社，范欽珊主編，第二版；

(12)《機械設計》高等教育出版社，濮良貴主編，第二版；

(13)《機械裝備金屬結構設計》機械工業(yè)出版社，徐格寧主編，第二版;

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（14）《起重機械金屬結構》上海交通大學出版社，董達善主編。

3主要工作內(nèi)容

1）建立海盜船傳動部件、船體部件、吊架部件和支架部件的有限元數(shù)值

分析模型；

2）計算海盜船傳動部件、船體部件、吊架部件和支架部件在滿載、偏載作

用下的應力；

3）關鍵部位（銷軸、關鍵焊縫）的強度分析及疲勞校核；

4）座椅組件的強度分析及疲勞校核；

5）海盜船主體的模態(tài)分析；

6）海盜船立柱支架的屈曲分析；

7）特殊載荷（風載、地震載荷）下的分析；

8）防止傾覆和防止側滑的計算；

9）電機、螺栓和軸承等部件的驗算。

4計算模型簡化說明與材料參數(shù)

4.1計算模型簡化說明

海盜船主體分析采用板殼單元和梁單元的力學模型。電機、座椅、螺栓、

筋板等附屬質量產(chǎn)生的載荷，施加在海盜船的整個鋼架結構上，模擬這些附屬

構件對整個海盜船主體鋼架結構產(chǎn)生的影響。局部部件分析，考慮模型細節(jié)

（軸、焊縫等），利用經(jīng)典力學公式，進行局部分析的理論核算。

4.2海盜船的材料參數(shù)

海盜船部件在Solidworks軟件中進行精細化建模并提取質量，如表4-lo

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表4-1海盜船主要部件及質量

序號部件名稱圖號數(shù)量材料單重(Kg)總重(Kg)

1傳動部件HDC56.01HDC56.011Q235B15621562

船體龍骨組焊件HDC56.02011Q235B1024

船體甲板組焊件HDC56.02021Q235B421

船體部件

2HDC56.0203/6/2950

HDC56.02座椅組件8Q235B420

9

中間柵欄組件HDC56.02051Q235B115

三腳架組焊件HDC56.03012Q235B415

吊架部件

3三角吊架軸承套組件HDC56.0302245621056

HDC56.03

吊架檢修平臺組件HDC56.03032Q235B56

支架部件橫梁組焊件HDC56.04011Q235B564

41985

HDC56.04立柱支架組件HDC56.04302Q235B161

5站臺總裝HDC56.05HDC56.051Q235B17521752

主體結構材料：Q235B鋼；銷軸的材料為：45#鋼；螺栓采用高強螺栓

(1=800MPa)。材料力學參量為：彈性模量E=2X10'MPa,泊松比y=0.3。

由《機械設計手冊》化學工業(yè)出版社，游樂設施主要材料性能參數(shù)如表4-2

所示。

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表4-2主要材料性能表

強度設計值屈服強度破斷強度彎曲疲勞極限扭轉疲勞極限

厚度或直徑

牌號0.1O.6b0-1T-1

(mm)

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

<16215235180105

>16~40205225180105

Q235B390

>40~60200215180105

>60^100190205180105

45#<100\360660270165

(軸類調質)100?200\345610240140

20鋼<16\24517599

(結構用無縫16~30\23543016998

鋼管)>30\22516696

5海盜船載荷特性分析

5.1工作載荷

海盜船的船體部件和吊架部件，在傳動部件驅動輪作用下沿橫臂的中心軸

線做往復擺動，座椅安裝在船體上，隨著整個船體做擺動運動。把整個船體和

乘人當做質點考慮，載荷作用示意圖如圖5T所示：

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mg

圖5-1海盜船載荷示意圖

如圖5T,船體(包含乘人)從最高點下落過程中，下落高度：

H=R(cos6-cos55。)(5-1)

其中：R一船底的回轉半徑，取最大值10.0m；

。一吊架中心線與豎直方向的夾角，即擺角。

下落過程中，僅受到重力的作用，機械能守恒：

2

mgH=-^mv1(5~2)

其中：出一船體(包含乘人)擺動部分的簡化質量；

B一標準重力加速度，lO.Om/s?；

%—船體運動的瞬時速度。

海盜船在擺動過程中，繞著吊架上銷軸中心軸線，做圓周運動，由圓周運

動的向心力公式：

(5-3)

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沿吊架中心線方向上，擺動部分受到重力和船體的拉力，如圖5T,則：

（5-4）

其中：J一吊架的拉力。

聯(lián)立公式（5-1）、（5-2）、（5-3）和（5-4）可得：

耳=〃zg（3cos。一2cos43。）（5-5）

船體部件在整個擺動周期（驅動完成后），僅受到重力和向心力作用，公

式（5-5）表明，擺角夕=0°,即船體運動到最低點時，受到（3-2cos65°）g=1.85g

的加速度，屬于物理學中的超重現(xiàn)象，重力勢能全部轉化為動能，懸臂部件受

到的載荷最大。因此，僅對擺角I=0°時，海盜船擺動部件進行分析計算。則

海盜船擺動的總質量（忽略吊架部件的質量）：

加=（g+38叫）（5-6）

其中：叫一船體和吊架部件質量（表4T,P4）,3530kg；

加，一乘人質量700N/人，則：%=支=則=71.4kg,保守計算取

'g9.8

75kg；

數(shù)據(jù)代入公式（5-5）得：

滿載時吊架的拉力：

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

偏載時吊架的拉力（單側19人）：

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

滿載時船體總重量3530+56X75=6266kg,偏載時船體總重量3530+19X

75=4898kg,最大速度為&9m/s（相當于角速度9.53r/min）。

則滿載時海盜船的轉動慣量：

J=mR2=6266x8.422=444237Kgm2（5-7）

則偏載時海盜船的轉動慣量：

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/=小收=4898x8.422=347551Kgm2

由于海盜船為單擺力學類型，分6次驅動，達到最大速度，模擬海盜船在

整個運行周期內(nèi)的各種參數(shù)?？偟尿寗訒r間為18s。

則滿載時海盜船的驅動扭矩：

,Jn442129x9.53

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

9.55r9.55x18

則偏載時海盜船的驅動扭矩：

丁Jn347251x9.53

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

9.55/9.55x18

海盜船的載荷示意圖如圖5-2所示。

最大驅動扭矩T=24511Nm,對應半徑R=10.0m,則摩擦驅動力:

T24511

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

qR8.42

驅動輪輪胎與船底的摩擦系數(shù)/=0.6,則對應的驅動輪壓緊力:

F2911

F.=」=——=4852N(5-10)

'f0.6

力的方向向下。

根據(jù)杠桿原理，搖架掛耳處的載荷:

(5-11)

其中:〃一搖架掛耳到支點的距離，有圖紙HDC56.01可知，值為1246mln；

萬一驅動輪到支點的距離，有圖紙HDC56.01可知，值為757mm。

根據(jù)杠桿原理，推動器處的載荷：

皂=2948x280=2948N(5-12)

"d280

其中：c一搖架掛耳到立桿的距離，有圖紙HDC56.01可知，值為290mm；

4一推動器到立桿的距離，有圖紙HDC56.01可知，值為290mm。

則立桿承受的載荷為:2X2948=5896NO

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圖5-2驅動載荷示意圖

海盜船屬于旋轉類設備。最大的旋轉速度(線速度)為最低點時的瞬時速度：

%=j2gR(cos"cos55°)(5-13)

=x9.8x8.42X(cos。-cos55°)=8.9m/s

由《游樂設施安全規(guī)范》釋義第4.2.3.2節(jié)：同類別的游樂設施采用同一

沖擊系數(shù)，顯然是不合理的，因此，以速度大小確定沖擊系數(shù)是比較科學的；

有的游樂設施其乘人部分有公轉也有自轉，還可能同時有升降，我們稱之為組

合運動，其速度的取值應取幾種運動合成速度的最大值。

根據(jù)GB8408-2008《游樂設施安全規(guī)范》中表1：海盜船的速度最大值大于

5m/s,同時小于10m/s,通過插值，可取搖頭飛椅的沖擊系數(shù)為K=l.436,保

守計算,取K=L5。

設備的自重為永久載荷(其中乘人用質量單元模擬，等效為永久載荷)，

在沖擊載荷作用下，等效的重力加速度為：

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

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5.2風載荷

根據(jù)GB8408-2008《游樂設施安全規(guī)范》中4.2.2.7節(jié)：風載荷分為工作

狀態(tài)載荷和非工作狀態(tài)載荷；游樂設施的設計，按最大運行風速15m/s計算工

作狀態(tài)下的風載荷；在靜止狀態(tài)應能承受當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)提供的風載荷。

由《起重機機械金屬結構》：計算風載荷時，認為它是一種任意方向作用

的水平力，工作狀態(tài)風載荷是正常工作情況下所能承受的最大計算風載荷，非

工作狀態(tài)下風載荷是非正常工作情況下受到的最大計算風載荷。

根據(jù)GB50009-2001《建筑結構荷載規(guī)范》7.1.1的規(guī)定，計算主要承重結

構時，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值：

wk=P:usu：w0(5-15)

其中：唯一風載荷標準值；

片一高度z處的風振系數(shù)，

式中：J—對于鋼結構，根據(jù)《載荷規(guī)范》附錄E.1.1,基本自振

周期取大值；

7；=(0.007-0.013)//=0.013x10=0.13

貝=。14x0.132=0.00237kNs7m2,根據(jù)表7.4.3可知

對于地面粗糙度B類地區(qū)應按基本風壓代入，即0.0024kNs7m1

利用線性插值法，得：

I57—147

^^1.47+—~—x(0.0033-0.01)=1.4

0.02-0.01''

同理，非工作風載時，4=1.57

。一脈動影響系數(shù)，總高度和寬度比值近似為1,根據(jù)《載荷

規(guī)范》表7.4.4-3,10m時，取0.46；

。一型振系數(shù)，如圖5.3所示，保守計算，取最大值為1.0；

4—風壓高度變化系數(shù)，如圖5-4所示。

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表F.0.2高聳結構的振型系數(shù)

相對高度振型序號

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

圖5-3高聳結構的振型系數(shù)

1.4x0.46x1.0

綜上,工作風載時:A=1+=1.6

1.0

1.57x0.46x1.0

非工作風載時:住=1+=1.7

1.0

保守計算，月取值2.0。

4—風荷載體型系數(shù)，海盜船船體、吊架和支架?？紤]到海盜船的

主體結構為桁架結構，因此可類比《建筑結構載荷規(guī)范》表7.3.1中

第32項來計算體型系數(shù)。

A71

側向擋風系數(shù)。=2=3=0.15（4為海盜船的靜投影面積；A

A140

為海盜船的輪廓面積），考慮到吊架、橫梁等因素影響，取。=0.2。

海盜船主體結構由圓管桿件構成，則體形系數(shù)3,所以，體形系

數(shù)%=〃0=L3XO.2=0.260

風壓高度變化系數(shù)，海盜船的高度12.5m,地面粗糙可類比

7.2.1中的B類（稀疏的城鎮(zhèn)和城市郊區(qū)），查下表可得不同

高度下的牝，10m取1.0,風壓高度變化系數(shù)，如圖5.4所示。

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HDC56海盜船（B級）設計計算書

離地面或地面粗糙度類別

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

圖5-4風壓高度變化系數(shù)

—基本風壓值。工作狀態(tài)下，風速為15m/s,對應的風壓為140N/m2

（標準狀況下，風壓=140N/m2）；非工作狀態(tài)下，根據(jù)GB50009

《建筑結構載荷規(guī)范》，中國沿海地區(qū)（包括海南島）50年一

2

遇的風壓值為700N/mo

以上數(shù)據(jù)代入公式（5-15）求的：

工作狀態(tài)下的風荷載標準值：

%=見〃，牝%=2.0X0.26X1.0X140=75.8N/m2；

非工作狀態(tài)下的風荷載標準值：

吸=隹"也吸）=2.0X0.26X1.0X700=468N/m2；

海盜船上受到的風載荷：入尸嗎4（5-16）

數(shù)據(jù)代入公式（5-16）,求得：

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工作狀態(tài)下的側向風載荷：Fv,=75.8X21=1529N；

非工作狀態(tài)下的側向風載荷：

工=468X21=9828N；

非工作狀態(tài)下的擺動方向風載荷（擺動方向的靜投影面積為17.5m?）：

FW=468X17.5=8190N；

風載作為外載荷，施加在海盜船最不利的方向（由于是對稱旋轉結構，施

加在迎風面積最大方向上，工作狀態(tài)下，船體可自由擺動，因此工作狀態(tài)僅考

慮側向風載荷影響，非工作狀態(tài)下，考慮側向和擺動方向風載荷影響）。

5.3雪載荷和溫度載荷

由《游樂設施安全規(guī)范》：游樂設施的設計，在靜止狀態(tài)下應能承受雪載

荷，積雪厚度不超過80mm時，施加在游樂設施總體表面的雪載荷，按照

0.2KN/m2的雪壓進行計算。釋義：該條主要針對積雪面積比較大的游樂設施。

W=辱3（5-17）

其中：F，一雪壓，按照0.2KN/m2計算；

七一頂棚的投影面積。

由于海盜船沒有頂棚結構，故不需要考慮雪載荷。

游樂設備一般情況下不考慮溫度載荷，由《起重機金屬結構》：對跨度超

過30m的超靜定結構，則應當考慮因溫度變化引起的結構件膨脹或收縮受到約

束所產(chǎn)生的載荷。海盜船的底座寬度大約14m,故不需要考慮溫度載荷。

地震載荷分析，見23節(jié)。

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5.4分析工況

海盜船運行過程中，整體主要結構受到離心力、重力、沖擊載荷等作用，需

分不同的工況，由海盜船結構可知，僅在滿載（即有乘人）并運行到最低點時，

受到載荷最大，計算海盜船傳動部件、船體部件、吊架部件主體及局部的受力

狀況。

建立有限元模型，施加載荷約束，在高性能計算機上進行模擬計算，根據(jù)

設備的運行特性，海盜船主體分為傳動部件、船體部件、吊架部件、支架部件、

座椅分析和其它類型分析等。

由以上載荷分析計算，海盜船共分為5種工況進行計算，各工況說明見表

5-1,分別對各工況進行計算校核。

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