大型游樂設施虛擬仿真分析方法初探

王 栓

（中山市金龍游樂設備有限公司,廣東 中山528400）

0 引言

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

1 我國大型游樂設施概況

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

現階段來看，我國的大型游樂設施存在較多安全隱患，主要包括安全防護設施不足、機構的安裝與聯接不合格、動力裝置磨損與銹蝕、電氣控制部分安全系數低等方面。其原因一方面是相關的游樂設施維護人員安全意識較低，另一方面是游樂設施本身設計和生產制造存在缺陷。

2 虛擬仿真分析方法概述

（1） 虛擬仿真技術的概況。虛擬仿真技術的本質是依賴計算機技術的一種計算機輔助工程技術（簡稱CAE技術），其核心技術為機械系統的動態仿真，同時其亦可能包括有限元分析、CAD建模和優化設計等相關工程技術方法[2]。

其可以對各種機器與系統進行虛擬仿真分析，可以對設定工況下系統不同機構的運動學和動力學參數進行模擬再現。由于其能直觀地觀察不同工作狀態下機械系統各部分的速度、加速度和受力情況，因此，可以直接根據虛擬仿真結果進行機器的性能分析和優化設計等工作。

（2）虛擬仿真分析軟件簡介。可以使用虛擬仿真分析軟件對現有機器進行靜力學分析、運動學分析和動力學分析，亦可以進行新機器的開發與設計工作。運用軟件分析可以極大地簡化機械設計的過程，縮短研發周期，節省研發經費，并且能有效保證產品設計的質量。

工程領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在汽車領域應用最為廣泛，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域與大型系統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的研究，解決大部分與虛擬仿真分析相關的問題。運用ADAMS進行虛擬仿真分析的基本過程是建模（或者導入模型）、模型準確性驗證（包括驗證模型的準確程度和設置各種參數）和模型修改完善。

3 旋轉秋千基于ADAMS的虛擬仿真分析方法

（1）旋轉秋千的模型建立。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行適當的簡化。另外，由于本文中的旋轉秋千模型稍復雜，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入到ADAMS中[3]。 雖然在建模過程中對各個運動副的模型都進行了相應的簡化，但是零件之間的運動副關系必須準確保留。在旋轉秋千建模過程中，對與虛擬仿真分析關系不大的零部件全部進行了去除簡化。

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

為旋轉秋千單個座椅速度曲線，根據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，其數值約為14.2m/s。

如下圖所示為旋轉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，符合相關安全標準。

旋轉秋千座椅的加速度曲線

4 改善旋轉秋千安全性能的建議

對旋轉秋千的頂盤進行優化設計可以改善其安全性能，并且利于節約制造材料，降低其成本。由于旋轉秋千的輸入轉速是其動力來源，因此其對旋轉秋千的各項性能影響最大，結合相關參數，設置最合理的轉速，有利于改善其安全性能。

通過后續的虛擬仿真力學分析可知，偏載是導致旋轉秋千發生故障的重要原因，因此相關工作人員必須嚴格監督，合理安排游客的座次，防止發生偏載現象，以提高旋轉秋千運行時的安全性。

5 結束語

虛擬仿真技術的分析方法功能比較強大，其可以免去制造實際樣機進行相關試驗的程序，節省設計分析的時間，提高設計分析的準確性。

使用ADAMS虛擬分析軟件旋轉秋千的各個部分進行相應的靜力學、運動學和動力學分析，可以十分清晰地掌握旋轉秋千整體的設計情況，為其進一步的優化設計或改造提供有價值的資料。

[1]張煜,張新東,李向東,王志榮.我國大型游樂設施風險分析研究[J]. 中國安全生產科學技術,2013(09).

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

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