روش های طراحی اجزا تجهیزات تفریحی

روش های طراحی اجزا تجهیزات تفریحی

طراحی اجزا مکانیکی تجهیزات تفریحی به دلیل قرار گرفتن تحت نیروهای استاتیکی و دینامیکی متاثر از انواع بارهای وارده از اهمیت بالایی برخوردار است و به همین جهت در استانداردهای مخنلف از قبیل EN، ISO، ASTM، AS و به دنبال این استانداردها، در استاندارد ملی ایران به شماره سری استاندارد 8987 که بر اساس استانداردهای AS تدوین شده اند، مورد توجه و تاکید قرار گرفته است.

در این استانداردها معیار طراحی اجزا مکانیکی تجهیزات تفریحی در دو قالب زیر پیش بینی شده است:
الف) برای طراحی به روش AS 3990 - (ASD) PSD و 1664 AS/NZS
ب) برای طراحی به روش AS 4100 - (LRFD) ULS
قبل از انجام محاسبات بر اساس روش انتخابی، باید بارهای وارده بر تجهیز تفریحی شناسایی شده و محاسبه شوند و سپس بر اساس جدول ترکیب بارها با انتخاب روش طراحی اقدام به تحلیل نمود.

بر اساس استاندارد بارهای پیش بینی شده در تجهیزات تفریحی عبارتند از:
بارهای مرده: بارهای مرده باید شامل تمامی بارهای جرمی دائمی که معمولاً از منابع زیر ناشی می شود:
جرم تمامی اجزا متحرک یا ثابت که مرتبط با وسیله یا سواری هستند که شامل موارد زیر بوده ولی به آنها محدود نمی شود:
الف) اجزای مکانیکی و محرک
ب) دکوراسیونها
پ) وسایل الکتریکی، تابلوی برق و امثال آنها
ت) طبقات، صفحات کف، نرده های پیرامون و امثال آنها
ث) وزنه‌های تعادلی دائمی
ج) تجهیزات هیدرولیک، مخازن، کمپرسور هوا، ژنراتورهای اضطراری و متعلقات مشابه.

بارهای زنده: بارهای زنده باید شامل تمامی نیروهایی باشد که برخاسته از عملکرد وسیله یا سواری و بارهای وارده در حین حمل یا عبور استفاده کنندگان باشند. در محاسبه بارهای زنده موارد زیر باید مدنظر قرار گیرند:
جرم استفاده کننده به منظور محاسبات نباید کمتر 75kg برای بزرگسالان و 38kg برای کودکان باشد و نباید بیشتر از 110kg باشد.

بارهای کاری: بارهای کاری باید شامل بارهای اعمال شده به سازه و یا داخل سازه وسیله و اجزای تشکیل دهنده آن در اثر حرکت وسیله یا سواری و یا استفاده کننده بالای سطح یا درون سیستم باشند. به طور نمونه، بارهای کاری توسط آزاد شدن پتانسیل یا انرژی جنبشی و تاثیرات نیروهای شتاب، ترمز، چرخشی، انتقالی، گریز از مرکز ژیروسکوپی و کرویولیس برانگیخته می شوند.
آنالیز جامعی از رفتار حرکتی وسیله یا سواری با توجه به فونداسیون آن صورت گرفته به طوری که تمامی نیروها، ممانها، محدوده مغناطیسی و جهت آنها برای تمامی اجزاء و اتصالاتی که سیستم را می سازند، محاسبه شوند.
در آنالیز باید تاثیرات بارهای جزئی و بارهای نامتعادل را درنظر بگیرند مگر اینکه طراحی سیستم مانع از چنین وقایعی شود به ویژه، اثرات ترمز اضطراری و هر حرکت غیرعادی که ایجاد می شود، باید در این طراحی درنظر گرفته شود. در آنالیز باید فرکانس تمامی بارهای کاری و ممانهای تعیین شده درنظر گرفته شود و این فرکانسها باید مرتبط با اندازه و محدوده باشند به طوری که مانع از ایجاد خستگی احتمالی شود. موارد زیر به جنبه های خاص برآورد بارهای کاری می پردازد.

اصطکاک: بارهای کاری در سطح مشترک که توسط عامل اصطکاک انتقال داده شوند
اثر ضربه: در مواردی که ضربه شکلی از حرکت وسیله یا سواری تفریحی باشد
اثرات ناشی از اپراتور: در مواردیکه افزایش سرعت وسیله یا سواری تفریحی یا حرکت قابل توجه آنها و تنظیم پیوسته حرکت آن (یا سایر پارامترها) توسط اپراتور انجام شود
اثرات ناشی از استفاده کننده: شخص استفاده کننده می تواند در وسایل و سواری های مشخصی به علت تغییر مرکز ثقل خود یا مشابه آن باعث به وجود آمدن حرکات غیرعادی در وسیله شود. اثر این حرکات به همراه حرکت عادی وسیله باید مورد آنالیز قرار گرفته و به عنوان بارهای کاری منظور شود
اثرات ناشی از تحریک سازه استاتیک: در مواردیکه سازه ها اصولاً استاتیکی هستند (مانند تجهیزات پارکی و ورزشی ثابت و وسایل جانبی زمین بازی) که ممکن است توسط استفاده کنندگان یا عوامل دیگر با فرکانس 1 هرتز و کمتر از آن به ارتعاش در آیند، باید بار دینامیکی حاصل و خستگی ناشی از آن درنظر گرفته شود

بارهای ناشی از باد: بارهای وارده بر وسایل و سواری ناشی از بادهای محیطی باید برطبق AS/NZS 1170.2، با توجه به مکانی که وسایل و سواری قرار است در آنجا نصب شده، جهت و سرعت بادهای احتمالی در محل، ارزیابی شود.

بارهای زلزله: بارهای ناشی از زلزله یا فعالیتهای منجر به لرزش زمین باید در طراحی وسایل یا سواری های تفریحی در نظر گرفته شود.

بارهای انتقال: طراح وسیله یا سواری تفریحی باید جهت، نگهداری و چیدمان سازه و اجزای مکانیکی سواری یا وسیله را در حالت جابجایی در نظر بگیرد و شتاب ناشی از تاثیرات حرکت وارده بر وزن های مرده اجزا را با توجه به استحکام و خستگی محاسبه کند

بارهای خاص دیگر: بارهای زیر هر جا که لازم است، باید در طراحی وسایل یا سواری های تفریحی درنظر گرفته شود مگر اینکه با بهره گیری از شرایط خاص یا ترتیب و چیدمان مناسب سیستم، از فقدان آنها اطمینان حاصل شود.
الف) بارهای انبساط و انقباض ناشی از تغییرات دما.
ب) اثرات پیش کشش ها (pretensioning) بر روی سازه ها و تکیه گاهها.
پ) بارهای ناشی از جمع شدن باران یا تگرگ.
ت) بارهای برف (به استاندارد AS/NZS 1170.3 رجوع شود.).
ث) اختلاف بارهای ناشی از نشست فونداسیون یا زیرسازی نادرست در نصب.
ج) بارهای ناشی از کار یا نصب.
چ) تنشهایی که با ساخت مونتاژ گسترش می یابند و اثرات رواداری های ابعادی و اثرات تغییر شکل ناشی از بار.
ح) نیروهای ناشی از شرایط غیرعادی مانند ارتعاشات تناوبی.
خ) بارهای هیدرواستاتیک یا نیروهای موجی.
د) بارهایی که توسط فشار خاک و یا توسط فشار آب داخل زمین یا هر دو، ایجاد می شوند.
ذ) بارهای آزمون.

پس از تعیین بارهای وارده بر تجهیز طراح باید ترکیبات بارها را طوری برقرار نماید که برای نشان دادن بدترین شرایط قابل استفاده باشد. برای این امر باید از  جدول (5)-ضرایب بار استاندارد 8987-1 استفاده کرد.
پس از تعیین بارها و ترکیب بارها بر اساس انتخاب روش طراحی اقدامات لازم صورت می گیرد.

در طراحی به روش PSD (تنش مجاز)، پس از تحلیل نرم‌افزاری با استفاده از ANSYS ،ABAQUS یا محاسبات دستی، مقدار تنش ماکزیمم در هر جزء به دست می‌آید. این تنش با تنش مجاز عضو (که از تنش تسلیم متریال منتخب تقسیم بر ضریب اطمینان معین در استاندارد محاسبه می‌شود) مقایسه می‌گردد. همچنین حداکثر تغییر شکل (خیز) هر جزء محاسبه شده و نتایج با حدود مجاز استاندارد مقایسه می‌شود.
در انتها بر اساس رده تجهیز سیکل مجاز بر اساس استاندارد تعیین شده و عمر خستگی و ضریب اطمینان خستگی نیز مورد تحلیل قرار می گیرد.

در طراحی به روش ULS یا LRFD (طراحی بر اساس حالت حد نهایی / ضرایب بار و مقاومت)، ابتدا بارها بر اساس ضرایب تشدید بار اشاره شده در استاندارد ترکیب می‌شوند و تحلیل نرم‌افزاری با استفاده از ANSYS، ABAQUS یا محاسبات دستی انجام می‌گیرد. پس از تحلیل، مقاومت موردنیاز هر جزء (Required Strength) با مقاومت اسمی عضو (Nominal Strength) مقایسه می‌شود. مقاومت اسمی با استفاده از ضرایب کاهش مقاومت استاندارد به مقاومت طراحی تبدیل شده و باید بزرگ‌تر یا مساوی اثرات بارگذاری طراحی باشد. همچنین در صورت نیاز، تغییر شکل (خیز) اجزا در شرایط بهره‌برداری بررسی شده و با حدود مجاز استاندارد مقایسه می‌شود.
در مراحل بعد، بر اساس رده تجهیز تفریحی، تعداد سیکل بار مجاز از استاندارد تعیین می‌شود. سپس با استفاده از منحنی‌های S–N یا روش‌های تحلیل خستگی (Stress-Life یا Strain-Life)، عمر خستگی هر جزء محاسبه می‌گردد. مقاومت اسمی خستگی با اعمال ضرایب کاهش مقاومت (φ_f یا γ_fatigue) به مقاومت طراحی خستگی تبدیل شده و با اثرات بارگذاری چرخه‌ای طراحی مقایسه می‌شود. در نهایت ضریب اطمینان خستگی محاسبه شده و باید مطابق مقادیر الزامی استاندارد باشد.