基于ADAMS的摩天輪運(yùn)動(dòng)仿真分析

蔣銳 何邦貴

摘 ?要： 以摩天輪為例，運(yùn)用最廣泛使用的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS建立摩天輪的仿真簡(jiǎn)化模型。利用ADAMS動(dòng)態(tài)分析功能對(duì)摩天輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)軸線上的扭矩變化、艙體在各軸向的速度變化這兩方面進(jìn)行了分析。研究得出，模型的構(gòu)建合理且仿真的結(jié)果與實(shí)際的情況相一致，為后續(xù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化摩天輪奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 摩天輪;運(yùn)動(dòng)分析;ADAMS;仿真

中圖分類號(hào)： TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.029

本文著錄格式：蔣銳，何邦貴. 基于ADAMS的摩天輪運(yùn)動(dòng)仿真分析[J]. 軟件，2019，40（6）：130132

【Abstract】： Taking the Ferris wheel as an example， the simulation model of the Ferris wheel is built using the most widely used mechanical system simulation software ADAMS. The ADAMS dynamic analysis function is used to analyze the motion simulation of the Ferris wheel. The torque variation of the engine on each axis and the speed change of the cabin in each axial direction are analyzed. The research shows that the model is constructed reasonably and the simulation results are consistent with the actual situation， which lays a theoretical foundation for the subsequent design and optimization of the Ferris wheel.

【Key words】： Ferris wheel; Dynamic analysis; ADAMS; Simulation

0 ?引言

隨著摩天輪越來(lái)越受歡迎，其安全性受到越來(lái)越多的關(guān)注。為了加強(qiáng)摩天輪的安全性，認(rèn)識(shí)摩天輪的結(jié)構(gòu)特征非常重要[1]。作為一種大型娛樂(lè)設(shè)施，摩天輪的安全問(wèn)題是設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中需要事先考慮的事項(xiàng)。由于其結(jié)構(gòu)和負(fù)載形式的復(fù)雜性，不便通過(guò)解析的方法來(lái)計(jì)算其機(jī)械性能[2]。且跨度相對(duì)于一般高聳結(jié)構(gòu)更大，結(jié)構(gòu)的安全性能要求更高[3]。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其目的是優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)需求[4-5]。通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可以相對(duì)方便的分析和驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理和優(yōu)化。因此，基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，分析了各軸上摩天輪發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩變化和艙體在各軸向的速度變化，為后續(xù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化摩天輪奠定了理論基礎(chǔ)。

1 ?ADAMS軟件簡(jiǎn)介

ADAMS是一種虛擬樣機(jī)軟件集成了建模、求解、可視化技術(shù)[6]，可以運(yùn)用兩種不同的方法建立實(shí)驗(yàn)仿真模擬過(guò)程所需的模型：一種是直接在ADAMS環(huán)境中進(jìn)行實(shí)體建模，然后進(jìn)行仿真;另一種是利用三維的建模軟件（如Pro/E、SolidWorks等）將建立好的模型直接導(dǎo)入ADAMS軟件，然后添加相關(guān)的約束副，驅(qū)動(dòng)力和力矩，再進(jìn)行仿真。

2 ?模型的簡(jiǎn)化

本研究來(lái)源于某游樂(lè)設(shè)備公司，摩天輪主要由輪盤結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和支承結(jié)構(gòu)組成[7]。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，顯然沒有必要根據(jù)摩天輪的實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)和實(shí)際質(zhì)量使用ADAMS進(jìn)行建模和仿真研究。因此，簡(jiǎn)化摩天輪是必要的步驟，輪轉(zhuǎn)的本體是需要著重考慮的。如圖1所示，本文設(shè)計(jì)了六個(gè)部件：底座，立柱（簡(jiǎn)化為一個(gè)），輪輻（也簡(jiǎn)化為一個(gè)），連艙桿，艙體和發(fā)動(dòng)機(jī)。

底座上的四個(gè)鎖死約束固定在地面上。立柱和底座具有鎖死約束，其他三個(gè)約束是鉸接連接。從設(shè)計(jì)部件的角度來(lái)看，省略了實(shí)際的輪架。輪架和艙體之間的連接也簡(jiǎn)化為一連艙桿。實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)也不可能在空中，為方便模型的建立，將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置在輪幅與立柱連接的位置。

3 ?仿真模型的建立

摩天輪物理模型的創(chuàng)建是運(yùn)動(dòng)仿真分析的前提和基礎(chǔ)。仿真數(shù)據(jù)正確與否直接受模型建立的準(zhǔn)確性與合理性影響[8]。因此，在模擬仿真前建立更為精確的模型是運(yùn)動(dòng)仿真分析中不可或缺的一步。

對(duì)各個(gè)部件設(shè)計(jì)尺寸如下：（為了方便，各個(gè)部件的密度全設(shè)置為：默認(rèn)密度）

底座：長(zhǎng)=40 cm，高=3 cm，深=40 cm;立柱：長(zhǎng)=40 cm，寬=4 cm，，深=2 cm;

輪幅：長(zhǎng)=15 cm，寬=3 cm，深=2 cm;連艙桿：長(zhǎng)=8 cm，寬=1 cm，深=2 cm;

艙體：長(zhǎng)=5 cm，寬=5 cm，深=5 cm;

如圖2所示，底座上的四個(gè)鎖死約束固定在地面上。立柱與底座有一個(gè)鎖死約束，其余三個(gè)約束立柱與輪幅、輪幅與連艙桿，連艙桿與艙體連接均為轉(zhuǎn)動(dòng)副。最后在立柱與輪幅轉(zhuǎn)動(dòng)副施加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，使得輪幅順時(shí)針進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 ?運(yùn)動(dòng)仿真及特性分析

本文運(yùn)用ADAMS對(duì)摩天輪進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，以確定其在不同的工況下運(yùn)動(dòng)情況。因此在ADAMS中使用提供的Default模式仿真進(jìn)行仿真，可以觀察到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況。進(jìn)入后處理模塊載入動(dòng)畫。在后處理模塊中通過(guò)選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，繪制出相應(yīng)的結(jié)果曲線。

4.1 ?發(fā)動(dòng)機(jī)在各軸向的扭矩曲線

4.3 ?結(jié)果分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各軸的扭矩曲線圖可知，在模擬仿真的試驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)的扭矩為x、y軸是恒定不變的，然而在z軸上從正方向逐漸變?yōu)樨?fù)方向。顯然這是由于輪幅的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)艙體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。可以預(yù)測(cè)，如果無(wú)限循環(huán)繼續(xù)，則z軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩圖是周期性的。這便提醒了設(shè)計(jì)者，在實(shí)際摩天輪橫軸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需考慮在計(jì)算其壽命時(shí)在固定載荷下可以轉(zhuǎn)動(dòng)的最多圈數(shù)。

根據(jù)艙體各軸的速度圖可知，在摩天輪運(yùn)行期間，艙體的左右兩側(cè)（即在x軸上）呈周期性地?cái)[動(dòng)。在前后方向（即在y軸上），速度最開始時(shí)減速然后加速，并且摩天輪轉(zhuǎn)一圈艙體y軸速度的方向改變一次。乘坐的人都有經(jīng)驗(yàn)，艙體確實(shí)會(huì)左右搖晃，讓人稍感有點(diǎn)頭暈。因此，患有心律失常或暈車的人可能乘坐摩天輪會(huì)出現(xiàn)嘔吐。

5 ?結(jié)論

本文在ADAMS中建立摩天輪簡(jiǎn)化的模型并進(jìn)行了仿真和分析，可以直觀地觀察到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特性，得到各軸線上電機(jī)的扭矩變化曲線和艙體速度變化曲線，分析得出，模型的構(gòu)建合理且仿真的結(jié)果與實(shí)際的情況相一致，為后續(xù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化摩天輪奠定了理論基礎(chǔ)，而且利用ADAMS 軟件可以獲得任意點(diǎn)的速度和受力特性等。最終通過(guò)對(duì)這一模型的研究和分析方法，可以對(duì)其他復(fù)雜機(jī)械的系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析提供參考。

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