王 栓

（中山市金龍游樂設(shè)備有限公司,廣東 中山528400）

0 引言

近二三十年來，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得的成就比較突出，人民的物質(zhì)生活水平提升幅度亦較大。與此同時，人們對大型游樂設(shè)施的需求更加迫切，對其質(zhì)量的要求越來越高。因此，運用先進(jìn)的虛擬仿真方法進(jìn)行大型游樂設(shè)施的設(shè)計與分析工作，保證大型游樂設(shè)施設(shè)計的科學(xué)性與合理性，進(jìn)而保證和提高其安全性能是十分必要的。

1 我國大型游樂設(shè)施概況

我國的大型游樂設(shè)施的設(shè)計與生產(chǎn)制造起步較晚，從上個世紀(jì)80年代至目前經(jīng)歷了從無到有，從少到多的過程。大型游樂設(shè)施包括翻滾過山車、旋轉(zhuǎn)秋千、高空觀覽車和旋轉(zhuǎn)木馬等。本文以旋轉(zhuǎn)秋千為例進(jìn)行大型游樂設(shè)施的虛擬仿真分析[1]。

現(xiàn)階段來看，我國的大型游樂設(shè)施存在較多安全隱患，主要包括安全防護(hù)設(shè)施不足、機(jī)構(gòu)的安裝與聯(lián)接不合格、動力裝置磨損與銹蝕、電氣控制部分安全系數(shù)低等方面。其原因一方面是相關(guān)的游樂設(shè)施維護(hù)人員安全意識較低，另一方面是游樂設(shè)施本身設(shè)計和生產(chǎn)制造存在缺陷。

2 虛擬仿真分析方法概述

（1） 虛擬仿真技術(shù)的概況。虛擬仿真技術(shù)的本質(zhì)是依賴計算機(jī)技術(shù)的一種計算機(jī)輔助工程技術(shù)（簡稱CAE技術(shù)），其核心技術(shù)為機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)仿真，同時其亦可能包括有限元分析、CAD建模和優(yōu)化設(shè)計等相關(guān)工程技術(shù)方法[2]。

其可以對各種機(jī)器與系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真分析，可以對設(shè)定工況下系統(tǒng)不同機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬再現(xiàn)。由于其能直觀地觀察不同工作狀態(tài)下機(jī)械系統(tǒng)各部分的速度、加速度和受力情況，因此，可以直接根據(jù)虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行機(jī)器的性能分析和優(yōu)化設(shè)計等工作。

（2）虛擬仿真分析軟件簡介?？梢允褂锰摂M仿真分析軟件對現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行靜力學(xué)分析、運動學(xué)分析和動力學(xué)分析，亦可以進(jìn)行新機(jī)器的開發(fā)與設(shè)計工作。運用軟件分析可以極大地簡化機(jī)械設(shè)計的過程，縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費，并且能有效保證產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。

工程領(lǐng)域中常用的虛擬分析軟件有ADAMS、SIMPACK和DADS等，其中使用最廣泛的虛擬仿真分析軟件是ADAMS。ADAMS在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，其功能完善，具有用戶自定義子程序的功能，但是其在接觸問題領(lǐng)域與大型系統(tǒng)求解方面功能相對欠缺。

ADAMS中最基本的模塊是ADAMS / View模塊和ADAMS /Solver模塊，一般情況下，依靠這兩個模塊可以較好地完成大部分與虛擬仿真分析相關(guān)的研究，解決大部分與虛擬仿真分析相關(guān)的問題。運用ADAMS進(jìn)行虛擬仿真分析的基本過程是建模（或者導(dǎo)入模型）、模型準(zhǔn)確性驗證（包括驗證模型的準(zhǔn)確程度和設(shè)置各種參數(shù)）和模型修改完善。

3 旋轉(zhuǎn)秋千基于ADAMS的虛擬仿真分析方法

（1）旋轉(zhuǎn)秋千的模型建立。建模是虛擬仿真分析的第一步，一般情況下，為了便于分析需要對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。另外，由于本文中的旋轉(zhuǎn)秋千模型稍復(fù)雜，在ADAMS中直接建模費時費力，所以使用三維建模軟件Pre/E建模后，通過他們之間的無縫接口導(dǎo)入到ADAMS中[3]。 雖然在建模過程中對各個運動副的模型都進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，但是零件之間的運動副關(guān)系必須準(zhǔn)確保留。在旋轉(zhuǎn)秋千建模過程中，對與虛擬仿真分析關(guān)系不大的零部件全部進(jìn)行了去除簡化。

（2）基于ADAMS的虛擬仿真分析。由于篇幅所限，本文僅選擇旋轉(zhuǎn)秋千的單個座椅，對其進(jìn)行速度與加速度的分析，探討旋轉(zhuǎn)秋千的虛擬仿真分析方法。

為旋轉(zhuǎn)秋千單個座椅速度曲線，根據(jù)該曲線可以明顯看出座椅的速度變化過程為先增加后減小，而且座椅的速度存在峰值，其數(shù)值約為14.2m/s。

如下圖所示為旋轉(zhuǎn)秋千單個座椅的加速度曲線圖。由曲線圖可以看出其存在幾個加速度突變點，因而可以使游客較好的體驗到游樂樂趣，且其最大加速度約為65m/s2，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。

旋轉(zhuǎn)秋千座椅的加速度曲線

4 改善旋轉(zhuǎn)秋千安全性能的建議

對旋轉(zhuǎn)秋千的頂盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計可以改善其安全性能，并且利于節(jié)約制造材料，降低其成本。由于旋轉(zhuǎn)秋千的輸入轉(zhuǎn)速是其動力來源，因此其對旋轉(zhuǎn)秋千的各項性能影響最大，結(jié)合相關(guān)參數(shù)，設(shè)置最合理的轉(zhuǎn)速，有利于改善其安全性能。

通過后續(xù)的虛擬仿真力學(xué)分析可知，偏載是導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)秋千發(fā)生故障的重要原因，因此相關(guān)工作人員必須嚴(yán)格監(jiān)督，合理安排游客的座次，防止發(fā)生偏載現(xiàn)象，以提高旋轉(zhuǎn)秋千運行時的安全性。

5 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)的分析方法功能比較強(qiáng)大，其可以免去制造實際樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗的程序，節(jié)省設(shè)計分析的時間，提高設(shè)計分析的準(zhǔn)確性。

使用ADAMS虛擬分析軟件旋轉(zhuǎn)秋千的各個部分進(jìn)行相應(yīng)的靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，可以十分清晰地掌握旋轉(zhuǎn)秋千整體的設(shè)計情況，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計或改造提供有價值的資料。

[1]張煜,張新東,李向東,王志榮.我國大型游樂設(shè)施風(fēng)險分析研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013(09).

[2]邵俊.基于CAID/CAE仿真技術(shù)的大型游樂設(shè)施造型設(shè)計研究 ——以廣州塔頂部軌道觀覽車為例[D].上海：華東理工大學(xué),2013:15-27.

[3]孫小帥.大型游樂設(shè)施的安全評價和狀態(tài)檢測[D].河南：鄭州大學(xué),2011:23-48.