基于ADAMS的大型游乐设施人体G加速度的测量转换方法研究

张永 陈坤

摘 要

基于多年的大型游乐设施行业从业经验和安全规范应用经验，对虚拟样机仿真软件ADAMS进行人体加速度的测量实现方法以及测量后如何进行惯性G加速度转换进行了详细研究和论述。实测结果表明文中所述方法正确可靠，可代替实物测试、进行游乐设备人体加速度设计。

关键词

ADAMS;人体加速度;惯性G加速度;转换

中图分类号： TP212;R318                      文献标识码： 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

经济的持续快速发展促进了游乐设施产业的稳步发展，各种游乐设施层出不穷、不断涌现，而加速度的大小直接影响着设备运行的刺激程度，过大的加速度将会引起乘客头晕、呕吐等不适生理现象，甚至危及乘客的生命安全。国外标准很早就对游乐设施的加速度范围做了明确限制，我国最新颁布的大型游乐设施标准GB8408-2018[1]也对加速度数值做了要求，规定加速度设计作为游乐设施的重要设计指标。对于获取游乐设施加速度的手段，一般除了实物样机测量、主要还有就是各种数值软件的仿真计算。

在数值软件模拟仿真游乐设备方面，ADAMS软件因其精准稳健的数值计算性能，直观全面的参数观测界面，使其成为使用最广泛的游乐设备动力系统虚拟仿真分析软件;关于此方面的研究工作和成果[2-3]，很多的论文很早就有论述、本文不再赘述。笔者基于多年的大型游乐设施行业从业经验和安全规范应用经验，对未曾见诸报端的ADAMS进行人体加速度的测量实现方式以及测量后进行惯性G加速度转换方法进行了详细研究和论述。

1 人体加速度和惯性G加速度

牛顿第二定律F=ma，也就是物理受力与加速度的关系，成立的前提就是所有的数值都必须在惯性参考系中，所谓的惯性参考系，是可以被认定为静止或者是匀速直线运动的，经典力学中，物体受力分析一般采用地心惯性系。大型游乐设施安全规范GB8408[1]规定：“游乐设施乘客的加速度以人体空间坐标系表达，用实际加速度与重力加速度g的比值表示”，所以游乐设施的G加速度涉及惯性坐标系向人体坐标系的加速度转换，包含一个地球重力加速度g的初始值。而ADAMS软件中的加速度为运动学的加速度，其大小为速度的变换率，方向为速度增量的方向。其中中国特种设备检测研究院的梁朝虎[4]等人很早就对国外游乐设施标准进行了研究，并提出了游乐设施的惯性G加速度、使用乘客对约束物的反作用力与物体重量的比值计算的方法，但因提出过早、且未结合虚拟样机软件进行详细计算方法的示范，所以并未引起游乐设施相关从业人员的重视和使用推广。

笔者根据长期的游乐设施从业经验和虚拟样机软件应用经验，研究给出了其他两种使用运动学仿真软件实现游乐设施惯性G加速度的测量转换方法，并以一过山车项目为例，详示了技术原理和实现过程。

2 游乐设施的虚拟样机建模和仿真，人体运动加速度测量[5]

ADAMS软件中按游乐设施各部件真实尺寸和连接关系建立仿真模型，乘客心脏处建立运动加速度的测量标记点，标记点坐标方向按GB8408[1]人体加速度坐标系[5]建立如图1所示。首先通过该坐标点（投影于自身轴向）的三方向平动加速度测量或实时加速度函数测量功能实现人体运动加速度的数值测量。

以一过山车项目为例，通过Bspline曲线引入过山车的轨道曲线离散点（轨道曲线通过方程设计产生，在CAD设计软件中生成三维曲线）、在ADAMS中建立过山车轨道曲线实体。例中仅考虑轨道形状产生的加速度、过山车实体以及过山车轮系和轨道接触关系均不再考虑，所以建立一虚拟简化过山车实体、使用点线副约束车体和轨道关系，并借助弹簧衬套等力约束实现简化过山车体姿态随轨道切矢变化。建立的完整可运行的过山车虚拟样机仿真模型如图2所示。

在过山车上建立人体坐标系（图1所示）的加速度测量，得到乘客运动学加速度如图3所示。

3 地球重力加速度g向人体坐标系的等效转换

3.1 向量的方向余弦法

一个向量的方向余弦分别是这个向量与三个坐标轴之间角度的余弦，如图4所示。向量v与x、y、z轴的方向余弦分别为cosγ、cosα、cosβ，分别等于向量在各轴向上的分量和向量长度的比值，即：

虚拟样机仿真软件ADAMS中可通过Orientation Meas ure-Direction Cosines工具實时进行人体动坐标系和地球重力加速度g轴的方向余弦时间历程测量，地球重力加速度g和得到的方向余弦相乘后即可得到g的实时分解。

3.2 向量的直接分解投影法

地球重力加速度g向量直接向人体动坐标系进行投影分解，同样可实现g的实时分解，如图5所示。具体实现上ADAMS中可通过两个全局坐标系的标记点（方向竖直向下、距离等于g的数值大小）建立地球重力加速度g向量，然后通过DX（To_Mar ker，From_Marker，Along_Marker ）函数指定投影的人体坐标系和轴向实现投影分解。

3.3 人体惯性G加速度的数值计算

地球重力加速度g的投影分解（图6所示）再复合加上人体动坐标系的运动学加速度（图3所示）即可得到最终的游乐设施人体惯性G加速度（图7所示）。

对于本例的过山车项目设备，由最终的人体惯性G加速度数据Ax（-1.1g—1.3g）、Ay （-4.2g—3.3g）、Az （-2.5g—2.4g），据GB8408[1]加速度允许值章节、可判断加速度在设计允许范围内、设备安全;由束缚装置选型章节，可知该项目的设计加速度到达5区，对应5级束缚装置要求。

4 加速度计实测数据验证

为进一步验证文中计算方法的正确性，针对一实体游乐设施（图8所示）、将文中所述方法进行计算的人体惯性加速度值和该设备使用三方向加速度计实测数据进行比对，比对结果表明，两者在X、Y、Z三个方向的数值均完全吻合（如图9所示）。

5 结论

文中所述计算方法结果数据、经与零频的加速度计实测数据进行比对，得到较一致的吻合结果，证实文中所述方法正确可靠，可代替实物测试、进行游乐设备人体惯性G加速度的数值设计和束缚装置选型，为游乐设备的研究试制提供性能改善和安全判定意见。

参考文献

[1]GB 8408-2018，大型游乐设施安全规范[S].

[2]梁朝虎，沈勇，秦平彦，林伟明.滑行车类游乐设施动力学建模与仿真[J].中国安全科学学报，2007，17卷9期.

[3]梁朝虎，秦平彦，林伟明，付恒生.基于虚拟仿真的过山车轮架疲劳寿命分析[J]. 中国安全科学学报，2008，18卷7期.

[4]梁朝虎，沈勇，鄂立军，张勇.游乐设施G加速度分析与判别方法[J].中国安全科学学报，2008，18卷11期.

[5]陈峰华.ADAMS 2016 虚擬样机技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社2017.