基于ADAMS的大型游樂設(shè)施人體G加速度的測量轉(zhuǎn)換方法研究

張永 陳坤

摘 要

基于多年的大型游樂設(shè)施行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗和安全規(guī)范應(yīng)用經(jīng)驗，對虛擬樣機仿真軟件ADAMS進行人體加速度的測量實現(xiàn)方法以及測量后如何進行慣性G加速度轉(zhuǎn)換進行了詳細研究和論述。實測結(jié)果表明文中所述方法正確可靠，可代替實物測試、進行游樂設(shè)備人體加速度設(shè)計。

關(guān)鍵詞

ADAMS;人體加速度;慣性G加速度;轉(zhuǎn)換

中圖分類號： TP212;R318 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.017

Abstract

Based on years of field experience in large-scale amusement device and safety code application，the measurement of human acceleration and its conversion of inertial G-acceleration with ADAMS are studied and discussed in the essay.The comparison of the measured results shows that the method is correct and reliable，it can replace the physical tests to design human acceleration of amusement device.

Key Words

ADAMS;Human acceleration;Inertial G-acceleration;Conversion

0 引言

經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展促進了游樂設(shè)施產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，各種游樂設(shè)施層出不窮、不斷涌現(xiàn)，而加速度的大小直接影響著設(shè)備運行的刺激程度，過大的加速度將會引起乘客頭暈、嘔吐等不適生理現(xiàn)象，甚至危及乘客的生命安全。國外標(biāo)準(zhǔn)很早就對游樂設(shè)施的加速度范圍做了明確限制，我國最新頒布的大型游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)GB8408-2018[1]也對加速度數(shù)值做了要求，規(guī)定加速度設(shè)計作為游樂設(shè)施的重要設(shè)計指標(biāo)。對于獲取游樂設(shè)施加速度的手段，一般除了實物樣機測量、主要還有就是各種數(shù)值軟件的仿真計算。

在數(shù)值軟件模擬仿真游樂設(shè)備方面，ADAMS軟件因其精準(zhǔn)穩(wěn)健的數(shù)值計算性能，直觀全面的參數(shù)觀測界面，使其成為使用最廣泛的游樂設(shè)備動力系統(tǒng)虛擬仿真分析軟件;關(guān)于此方面的研究工作和成果[2-3]，很多的論文很早就有論述、本文不再贅述。筆者基于多年的大型游樂設(shè)施行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗和安全規(guī)范應(yīng)用經(jīng)驗，對未曾見諸報端的ADAMS進行人體加速度的測量實現(xiàn)方式以及測量后進行慣性G加速度轉(zhuǎn)換方法進行了詳細研究和論述。

1 人體加速度和慣性G加速度

牛頓第二定律F=ma，也就是物理受力與加速度的關(guān)系，成立的前提就是所有的數(shù)值都必須在慣性參考系中，所謂的慣性參考系，是可以被認(rèn)定為靜止或者是勻速直線運動的，經(jīng)典力學(xué)中，物體受力分析一般采用地心慣性系。大型游樂設(shè)施安全規(guī)范GB8408[1]規(guī)定：“游樂設(shè)施乘客的加速度以人體空間坐標(biāo)系表達，用實際加速度與重力加速度g的比值表示”，所以游樂設(shè)施的G加速度涉及慣性坐標(biāo)系向人體坐標(biāo)系的加速度轉(zhuǎn)換，包含一個地球重力加速度g的初始值。而ADAMS軟件中的加速度為運動學(xué)的加速度，其大小為速度的變換率，方向為速度增量的方向。其中中國特種設(shè)備檢測研究院的梁朝虎[4]等人很早就對國外游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)進行了研究，并提出了游樂設(shè)施的慣性G加速度、使用乘客對約束物的反作用力與物體重量的比值計算的方法，但因提出過早、且未結(jié)合虛擬樣機軟件進行詳細計算方法的示范，所以并未引起游樂設(shè)施相關(guān)從業(yè)人員的重視和使用推廣。

筆者根據(jù)長期的游樂設(shè)施從業(yè)經(jīng)驗和虛擬樣機軟件應(yīng)用經(jīng)驗，研究給出了其他兩種使用運動學(xué)仿真軟件實現(xiàn)游樂設(shè)施慣性G加速度的測量轉(zhuǎn)換方法，并以一過山車項目為例，詳示了技術(shù)原理和實現(xiàn)過程。

2 游樂設(shè)施的虛擬樣機建模和仿真，人體運動加速度測量[5]

ADAMS軟件中按游樂設(shè)施各部件真實尺寸和連接關(guān)系建立仿真模型，乘客心臟處建立運動加速度的測量標(biāo)記點，標(biāo)記點坐標(biāo)方向按GB8408[1]人體加速度坐標(biāo)系[5]建立如圖1所示。首先通過該坐標(biāo)點（投影于自身軸向）的三方向平動加速度測量或?qū)崟r加速度函數(shù)測量功能實現(xiàn)人體運動加速度的數(shù)值測量。

以一過山車項目為例，通過Bspline曲線引入過山車的軌道曲線離散點（軌道曲線通過方程設(shè)計產(chǎn)生，在CAD設(shè)計軟件中生成三維曲線）、在ADAMS中建立過山車軌道曲線實體。例中僅考慮軌道形狀產(chǎn)生的加速度、過山車實體以及過山車輪系和軌道接觸關(guān)系均不再考慮，所以建立一虛擬簡化過山車實體、使用點線副約束車體和軌道關(guān)系，并借助彈簧襯套等力約束實現(xiàn)簡化過山車體姿態(tài)隨軌道切矢變化。建立的完整可運行的過山車虛擬樣機仿真模型如圖2所示。

在過山車上建立人體坐標(biāo)系（圖1所示）的加速度測量，得到乘客運動學(xué)加速度如圖3所示。

3 地球重力加速度g向人體坐標(biāo)系的等效轉(zhuǎn)換

3.1 向量的方向余弦法

一個向量的方向余弦分別是這個向量與三個坐標(biāo)軸之間角度的余弦，如圖4所示。向量v與x、y、z軸的方向余弦分別為cosγ、cosα、cosβ，分別等于向量在各軸向上的分量和向量長度的比值，即：

虛擬樣機仿真軟件ADAMS中可通過Orientation Meas ure-Direction Cosines工具實時進行人體動坐標(biāo)系和地球重力加速度g軸的方向余弦時間歷程測量，地球重力加速度g和得到的方向余弦相乘后即可得到g的實時分解。

3.2 向量的直接分解投影法

地球重力加速度g向量直接向人體動坐標(biāo)系進行投影分解，同樣可實現(xiàn)g的實時分解，如圖5所示。具體實現(xiàn)上ADAMS中可通過兩個全局坐標(biāo)系的標(biāo)記點（方向豎直向下、距離等于g的數(shù)值大小）建立地球重力加速度g向量，然后通過DX（To_Mar ker，F(xiàn)rom_Marker，Along_Marker ）函數(shù)指定投影的人體坐標(biāo)系和軸向?qū)崿F(xiàn)投影分解。

3.3 人體慣性G加速度的數(shù)值計算

地球重力加速度g的投影分解（圖6所示）再復(fù)合加上人體動坐標(biāo)系的運動學(xué)加速度（圖3所示）即可得到最終的游樂設(shè)施人體慣性G加速度（圖7所示）。

對于本例的過山車項目設(shè)備，由最終的人體慣性G加速度數(shù)據(jù)Ax（-1.1g—1.3g）、Ay （-4.2g—3.3g）、Az （-2.5g—2.4g），據(jù)GB8408[1]加速度允許值章節(jié)、可判斷加速度在設(shè)計允許范圍內(nèi)、設(shè)備安全;由束縛裝置選型章節(jié)，可知該項目的設(shè)計加速度到達5區(qū)，對應(yīng)5級束縛裝置要求。

4 加速度計實測數(shù)據(jù)驗證

為進一步驗證文中計算方法的正確性，針對一實體游樂設(shè)施（圖8所示）、將文中所述方法進行計算的人體慣性加速度值和該設(shè)備使用三方向加速度計實測數(shù)據(jù)進行比對，比對結(jié)果表明，兩者在X、Y、Z三個方向的數(shù)值均完全吻合（如圖9所示）。

5 結(jié)論

文中所述計算方法結(jié)果數(shù)據(jù)、經(jīng)與零頻的加速度計實測數(shù)據(jù)進行比對，得到較一致的吻合結(jié)果，證實文中所述方法正確可靠，可代替實物測試、進行游樂設(shè)備人體慣性G加速度的數(shù)值設(shè)計和束縛裝置選型，為游樂設(shè)備的研究試制提供性能改善和安全判定意見。

參考文獻

[1]GB 8408-2018，大型游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].

[2]梁朝虎，沈勇，秦平彥，林偉明.滑行車類游樂設(shè)施動力學(xué)建模與仿真[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2007，17卷9期.

[3]梁朝虎，秦平彥，林偉明，付恒生.基于虛擬仿真的過山車輪架疲勞壽命分析[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2008，18卷7期.

[4]梁朝虎，沈勇，鄂立軍，張勇.游樂設(shè)施G加速度分析與判別方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2008，18卷11期.

[5]陳峰華.ADAMS 2016 虛擬樣機技術(shù)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社2017.