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3.3设计计算
3.3.1基本要求
大型游乐设施应当根据具体结构、载荷情况、工况分析和安全性要求进行相应的静强度、疲劳强度、刚度、稳定性、防倾覆、防侧滑等计算，满足设计和使用要求。
点评：大学里面把上面几个力学概念讲清楚，需要几本书和几年的时间。力学和材料，这两方面又是关系到特种设备“本质安全”的核心。
为了帮助大家理解上面的概念，这部分内容分两部分进行简单扼要的讲解。
3.3.2载荷
大型游乐设施应当根据运行环境、乘载和工况要求，对永久荷载、乘客载荷、乘客的支承和约束反力、惯性力、碰撞力等进行分析计算，还应当考虑振动载荷、风载荷、地震载荷、雪载荷、裹冰载荷、其他载荷和温度作用等影响。
大型游乐设施在运行过程中有可能产生冲击载荷时，应当考虑冲击系数并计算冲击载荷，避免冲击载荷对人员和设备造成伤害；对于运行速度低于2m/s的大型游乐设施，可不计算冲击载荷。
点评：
1、如何考虑冲击系数？
8408中举例说车体在运动过程中，轨道有凹坑，会出现冲击，从而产生冲击载荷，这个冲击来自于轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑，设计时一般无法准确计算，因此该类游乐设施进行强度计算时，需要考虑冲击系数的影响。
其他旋转提升类设备呢？海盗船、大摆锤、自控飞机，没有轨道的时候，冲击系数来自于哪里？8408没有给出合理的解释。
我的理解是，来自于相对运动，游乐设施都有部件之间的相对运动，相对运动时候，如回转支承，回转支承内外圈之间有游间隙，但回转支承是相对精密的标准件，游间隙很小，冲击也很小，所以除了轨道类设备之外的其他类型的大型游乐设施，冲击系数可以取1.2，不管这个设备有多大，速度有多高。
新8408对所有速度超过2 m/s设备规定不小于1.2的冲击系数，只要大于1.2原则上就可以，没有就不同的设备提供不同的冲击系数。大多数只看到了1.2的冲击系数，却忽视了前面的定语“不小于”。
不是所有设备都可以按照1.2去取，而忽视标准中规定的仅仅是冲击系数的下限值（“不小于”而不是“等于”）。对轨道类设备，冲击系数就不能取的过小，相反，不少轨道类设备的冲击系数是很大的。下面举例说明。
如果轨道不平，冲击系数应该如何计算，可参考GB/T 8408-2008《起重机设计规范》的4.2.1.1.6.3节：由于道路或轨道不平（有接缝）而使运动的质量产生铅垂方向的冲击作用，冲击系数的取值：
式中：v-运行速度（m/s），h-轨道接头处两轨道的高度差（mm），游乐设施行业相关标准，规定轨道接口处的高度差不大于1mm.
对管轨式滑道和滑行车类游乐设施设施，运行速度在20 km/h(5.56m/s)~40km/h(11.1m/s)，则冲击系数：
1.1+0.058×5.56×1=1.25~1.1+0.058×11.1×1=1.7。
所以大部分轨道类游乐设施的冲击系数在1.3~1.7之间。
所有的轨道类设备，都需要根据速度取核算冲击系数，包如滑行车类、滑道类、架空观览车类和小火车类等游乐设施。
2、冲击系数特例
（1）C型观览车，如海盗船、大摆锤
C型观览车摆臂驱动装置输出轴应进行抗弯、抗扭和疲劳强度校核，校核时冲击系数不小于1.5。
主要指大摆锤和海盗船，大摆锤的驱动装置是电机、减速机、小齿轮，大摆锤输出轴是减速机轴，海盗船的驱动为电机、皮带轮、驱动轴、轮胎。
大摆锤是中心（上部）驱动，需要减速机，驱动装置输出轴是减速机轴，减速机是标准件，减速机轴不需要验算抗弯、抗扭和疲劳强度。由于存在这往复运行，为了保证减速机轴满足要求，需要选择较大的使用系数，我一般推荐大摆锤的减速机使用系数在2.0以上，而其他游乐设施减速机的使用系数在1.5以上。
C型观览车整体结构设计校核计算，冲击系数可以取1.2~1.3较小的值；但驱动轴的校核计算，需要取较大的冲击系数，取1.5~2.0，所以这类游乐设施上的冲击系数有两组。
（2）防倒齿止逆装置
采用如图所示的防倒齿进行止逆的装置，设计时应考虑冲击系数。如果不进行其他精确计算，则该冲击系数的取值至少为向后行驶最大垂直高度(h,以单位cm计量的数值，无量纲)的一半，并且不小于2.0。
提升轨道的止逆装置，按照垂直高度的一半，注意是厘米，计算结果和2.0比较，取两者的大值，作为冲击系数。用于校核止逆装置。
哪里会有止逆装置？
过山车、疯狂老鼠的滑行车提升装置、滑道的滑车回收装置，高空飞翔的齿条止逆装置，都存在止逆装置，对该部分止逆装置的校核计算，需要取一个不小于2.0的值。
所以这类游乐设施上的冲击系数通常也有两组。
（3）车辆连接器
对于车辆连接器冗余保险结构冲击系数不小于2，其安全系数不小于2。这类设备在轨道上运行，一列车通常有多个车厢，每个车厢之间用连接器连接，连接器需要有冗余保险结构，保证在连接器断裂失效等情况时，冗余机构能够起到二次保险，如过山车、滑行龙、小火车、架空游览车等。
3.3.3工况分析
大型游乐设施应当根据运行的不同阶段、不同载荷分布、不同姿态等工况进行分析，工况分析应当至少包括以下情况：
(1)空载、偏载、满载使用条件下的正常运行工况：
(2)急停、应急救援、维护保养等情况下的非正常运行工况：
(3)台风、地震等当地极端条件下的极限状态工况。
点评：工况分析包括三种：正常、非正常和极限工况。
此处与8408不同的描述在于风载荷，8408中规定的是“极限风速”，此处定义的是“台风”。我国把西北太平洋和南海的热带气旋按其底层中心附近最大平均风力（风速）大小划分为6个等级，其中风力为12级或以上的，统称为台风。
按照这个表，可以计算，以12级风力等级为例，换算后，最小风压为730 Pa，最大风压为930 Pa，但依据公式：wp=v²/1600，换算结果为：min=668 N/m²，max=851N/m²，与表有所差异。实际设计中，按照800 kN/m²的风压进行计算，以覆盖我国大部分地区。
3.3.4载荷组合
根据工况分析，对大型游乐设施结构中所承受的各种载荷进行载荷组合，分别进行分析计算；非正常运行工况和极限状态工况下的载荷组合，不应当使结构产生破坏或者塑性变形。
点评：
1、等效静载荷（载荷组合）怎么计算？
计算载荷按照8408附录D进行组合：
2、非正常运、极限状态工况下的评价指标是什么？
结构产生破坏或者塑性变形，产生破坏，指的脆性材料，该指标是强度（抗拉）极限；塑性变形，指的塑性材料，该指标是屈服极限。
正常运行工况，对应安全系数是3.5（轴和焊缝是5.0），非正常运行工况和极限状态工况，只要不超过屈服极限即可。
3.3.5静强度
采用许用安全系数法设计的大型游乐设施，重要的轴（销轴）和重要焊缝的静强度安全系数（注3-2）n≥5，其他零部件、焊缝和玻璃钢的静强度安全系数n≥3.5，由脆性材料制作的零部件的静强度安全系数≥8。
采用极限状态设计法的大型游乐设施，金属零部件静强度应当符合GB8408《大型游乐设施安全规范》中极限状态设计法的要求。
木结构的计算应当符合GB50005的要求。
注3-2。材料极限应力与设计计算最大应力的比值为静强度安全系数
点评：强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度相应地分为静强度、动强度、疲劳强度、断裂强度、热强度等。这里只讲静强度。
1、如何判断静强度是否满足要求？
静强度是指结构在静载荷作用下的强度，此处的静载荷是等效静载荷，即自重载荷、活载荷、惯性力、冲击系数等作用下的等效静载荷（载荷组合），校核指标以安全系数（强度极限与计算应力的比值）表示。用计算的安全系数和许用安全系数去比较，来判断游乐设施结构的静强度是否满足设计和使用要求。
式中：
σb一材料的极限应力，单位为兆帕(MPa):
σmax一设计计算最大应力，单位为兆帕(MPa）:
[n]一许用安全系数（见表1）
2、强度极限怎么获取？
抗拉强度-是指材料在断裂前所承受的最大应力。
当钢材屈服到一定程度时，由于内部晶粒的重新排列，其抗变形能力再次提高。此时变形虽然发展很快，但也只能随着应力的增大而增大，直到应力达到最大值。之后钢材抵抗变形的能力明显降低，在最薄弱处发生较大的塑性变形，截面迅速收缩，发生颈缩直至断裂。
钢材拉伸断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。
大型游乐设施的强度极限采用的是抗拉强度（起重机械采用的是屈服强度），不同材料的抗拉强度可以通过《机械设计手册》查询，常用的Q235B 的抗拉强度极限是375 MPa。
3、设计计算应力怎么计算？
简单结构的计算应力可以通过理论计算求解，即拉压应力为载荷除以面积，弯曲应力是弯矩除以抗弯截面系数。
起重机械行业的结构简单，通常可采用理论计算直接求得，所以检验师考试，通常会在F卷给大家出一道综合计算题，考察大家对简单理论计算的掌握程度。
游乐行业的结构复杂，难以通过理论计算求解，这时候，需要借助有限元（FEM）软件求解，特种设备行业常用的有限元软件是ANSYS，其他有限元软件还有ABAQUS、MIDAS、SIMULATION（集合在Solidworks中）。
在材料力学计算中出现的“连、同、小”假定，即连续性假定、各向同性假定、小应变假定。这些假定其实是和实际工程问题有很大偏差的，而且一旦工程问题稍微复杂一些我们就不能直接得到解析解，或者解析解的答案误差过大。
而有限元法把复杂的整体结构离散到有限个单元（Finite Element），再把这种理想化的假定和力学控制方程施加于结构内部的每一个单元，然后通过单元分析组装得到结构总刚度方程，方程需要满足一些条件，如满足边界条件（载荷与约束），再通过边界条件和其他约束解得结构总反应。
从数学本质来讲，FEM的作用是将力学所涉及到的一系列求解常/偏微分方程（组）的问题转化为求解线性方程（组）的问题，是一种近似的数值计算方法。
有限元软件只是有限元分析用的一个工具而已，如果不懂结构、力学、有限元理论、相关行业的标准规范，只是单纯的学些软件操作的话，其实是没有多大的意义。
计算出来的各种应力需要进行组合，这里就要讲到四大强度理论。
承压类特种设备通常采用第三强度理论，机电类特种设备通常采用第四强度理论。
静强度采用静力学分析，游乐行业通常用mises应力进行校核，即第四强度理论。
可以简单概括：主应力差的平方和的一半的开平方，就是mises应力，也是游乐设施结构件的设计计算应力。
3.3.6疲劳强度
主要受力部件及重要焊缝应当进行疲劳强度校核，当循环载荷的最大计算应力小于材料的疲劳极限时，主要受力部件为无限寿命；当循环载荷的最大计算应力大于材料的疲劳极限时，应当结合疲劳截荷谱计算分析主要受力部件的设计使用期限。
点评：疲劳强度是指结构在交变载荷作用下的强度，以疲劳极限、安全系数等表示。疲劳失效是塑性材料在低应力循环下发生的脆性断裂；疲劳分为低周疲劳和高周疲劳，由于游乐设施采用的静强度安全系数较大，所以，游乐设施的疲劳破坏，表现为高周疲劳破坏。
1、疲劳校核方法
疲劳计算是判断设备设计使用期限的依据。疲劳计算的前提是进行静强度计算。然后根据疲劳类型（脉动疲劳还是对称疲劳）去计算应力幅。
判断准则分为容许应力幅法和安全系数法。大型游乐设施结构件和焊缝的疲劳采用容许应力幅法，轴疲劳校核采用安全系数法。
（1）疲劳容许应力幅法
容许应力幅法：△σ≤[△σ]
GB 50017-2017《钢结构设计标准》16.1.3：疲劳计算应采用基于名义应力的容许应力幅法，容许应力幅应按构件和连接类别、应力循环次数以及计算部位的板件厚度确定.
（1）疲劳安全系数法
安全系数法：n≥[n]
《机械设计手册》1.5.3：轴通常采用安全系数法进行校核计算，疲劳强度安全系数校核，是在轴经过初步设计计算和结构设计后，根据轴的实际尺寸，考虑零件的表面质量、应力集中、尺寸影响以及材料的疲劳极限等因素，验算轴的危险截面处的疲劳安全系数。
2、轴的疲劳计算
轴的疲劳计算，应按照《机械设计手册》中疲劳强度计算方法进行，采用安全系数法，疲劳应力幅为最大应力与最小应力差的一半，进而求出轴的疲劳强度安全系数，
按照《大型游乐设施安全规范》表2判断轴是否满足规范要求。
表2 轴的许用疲劳强度安全系数
3、结构件、焊缝的疲劳计算
应按照GB 50017《钢结构设计标准》中关于疲劳强度计算方法进行，采用许用应力法，疲劳应力幅为最大应力与最小应力差，由设备的设计寿命，推算结构件和焊缝的容许应力幅，由计算应力幅与许用应力幅比较，判断结构件、焊缝是否满足GB 50017《钢结构设计标准》要求。
4、游乐设施国家标准有关疲劳的错误条款
（1）GB∕T18159-2019《滑行车类游乐设施通用技术条件》5.1.10：滑行车类重要轴及重要焊缝应进行强度和疲劳强度校核，两者都应满足安全系数的要求。
重要焊缝的疲劳计算，不采用无限寿命设计，就不存在安全系数，何来“应满足安全系数要求”的说法？
（2）GB∕T18164-2020《观览车类游乐设施通用技术条件》5.1.3：观览车类游乐设施难以检验检测的重要轴（销轴）应按无限寿命设计。
（3）GB∕T18161-2020《飞行塔类游乐设施通用技术条件》5.1.3：飞行塔类游乐设施难以检验、检测的重要轴（销轴）应按无限寿命设计。
（4）《游乐设施安全技术监察规程》：不易拆卸的轴类（指拆装工作量占整机安装工作量的50%以上）按无限寿命设计。
凡是重要的轴，都需要按照无限寿命设计，用安全系数去判断，不管“难以检测”还是“容易检测”，统统采用无限寿命设计。
5、主要受力构件是否会按照无限寿命设计？
轴可以采用无限寿命设计，因为轴都很小，无限寿命设计，可以在稍微增加轴材料的前提下，大幅度提高轴的安全性能。
但部件和焊缝是不能采用无限寿命设计的，因为如果采用无限寿命，结构零部件就会设计的非常大，非常厚实，造成极大的浪费，所以在机械结构设计上不会这样做。
游乐设施产品的设计使用期限去推导出来一个许用应力幅，考虑冲击系数的前提下，结构件、焊缝的计算应力幅小于许用应力幅，表明结构件、焊缝疲劳校核满足设计要求。