游乐设施座椅乘客束缚装置约束有效性研究

项辉宇，李 磊，张 勇，徐 锐

(1. 北京工商大学，北京 100048；2. 中国特种设备检测研究院，北京 100029)

1 引言

目前，国内外游乐设施正朝着更快、更高、更刺激的方向发展，游乐设施的公共安全事关广大乘客的生命安全[6]，因此游乐设施承载安全性一直受到广泛关注；其中不同类型乘客束缚装置的约束是否合理可靠对乘客安全显得尤为重要。现阶段游乐设施乘客束缚装置的选型设计和约束有效性研究主要依赖经验和类比应用，没有从乘客束缚和乘客损伤角度的数据支撑；缺少以相应量化指标为依据的束缚效果评价方法；难以借助参数化的束缚效果参考来确保束缚安全[4]。我国标准《大型游乐设施安全规范》[1]指出，当游乐设施运行时，乘客有可能在乘人装置内移动、碰撞或者甩出、滑出时，应设有乘客束缚装置。目前安全带，安全压杠、挡杆是当前游乐设施设备主要采用的乘客束缚装置形式。图1中(a)、(b)、(c)三图分别是典型的安全带、安全压杠和挡杆。

图1 三种典型游乐设施束缚装置

本文利用数字假人和不同乘客束缚装置的乘载系统分别建立乘客束缚模型，依照标准和综合判定模型规定的加速度安全范围，分别模拟不同加速度条件下乘客束缚效果的动态响应，对不同束缚装置约束有效性进行分析。

2 乘客束缚装置模型建立

通过建立乘客束缚装置模型对乘客束缚装置束缚作用过程仿真模拟，模拟不同加速度条件下的乘客束缚效果，输出多响应参数的变化过程以反映乘客束缚装置全过程的束缚作用。

2.1 座椅模型简化

不同游乐设施结构形式差异较大，本中选取一款典型的过山车乘人装置三维设计模型，模拟不同加速度条件下的乘客束缚效果。设备运行过程中，主要探究的是来自以座椅、座舱为加速度输入对被束缚乘客的影响，因此将乘人装置模型简化，简化模型如图2所示。

图2 乘人装置简化几何模型

在此基础上，分别搭配安全带、安全压杠以及安全压杠配合安全带，分别构成束缚方案A、束缚方案B、束缚方案C，3种束缚装置的乘载模型。

2.2 人体模型的选用

本文采用LSTC HIII Rigid-FE数字假人[5]作为研究乘客束缚效果的仿人模型；其基本尺寸[8]为站立身高1.751m，体重78.2kg。模型如图3所示。

图3 LSTC HIII Rigid-FE假人模型

2.3 人体座椅模型耦合

假人模型[9]的位置调整和姿态调整在LS-PrePost[2]中的Dummy Position模块中完成。

在假人位置确定后，利用LS-PrePost中的seatbelt fitting模块[3]，添加安全带形成完整的束缚装置模型。

模型各部分接触的定义在hypermesh中进行。在Hypermesh的接触定义卡片中设置接触参数如表1。

表1 接触参数

另外压杠与乘人装置之间在压杠管转轴处为固定约束，压杠钢管与包覆部分为固定约束。除人体模型外，其他各部分在定义材料属性如表2。

表2 材料属性

注：密度单位(ρ/kg·m-3)弹性模量单位(E/MPa)

调整压杠的旋转角度以适应假人模型，并同时注意在利用Hypermesh对检查压杠与假人单元的干涉情况，并使B、C两约束方案的压杠角度一致，最终建立安全带[10]、安全压杠、安全带与安全压杠组合的三种约束方案如图4中(a)(b)(c)所示。

图4

3 基于加速度的乘客束缚装置仿真

结合游乐设施标准中加速度要求，对三种束缚方案分别进行4组极限载荷仿真，即向下(ax=0，az=-2g)，向上(ax=0，az=6g)，向后(ax=-3.5g，az=0)，向前(ax=6g，az=0)。

3.1 束缚装置约束有效性分析

为得到不同加速度下乘客可能出现的最大响应，设计加载曲线时按照阶跃信号的方式加载，取加载时间为0.2s。从左向右A、B、C三种束缚状态的仿真结果如图5—8所示。

图5 ax=0，az=-2g，t=0.2s 仿真结果

从仿真结果可以得出，在施加不同加速度载荷情况下，三种约束方案均能保证乘客被束缚在座椅上，没有被甩出的危险。从总体来看，束缚装置从安全带到安全带与安全压杠的组合，乘客在座椅上的约束有效性逐渐增强，姿态改变越来越小。

从加速度来看，当加速度向下(az<0)时，如图5所示，约束方案A(安全带)将人体腰部拉向座椅内部，对腰部进行安全束缚，乘客腿部姿态的变化明显，上躯干略有前倾；约束方案B(安全压杠)限制乘客上躯干的姿态变化，同时缓解腿部动作，同时可以看出，约束方案B与约束方案C，对乘客的束缚效果基本相同。当加速度向后(ax<0)时，如图6所示，约束方案A(安全带)主要是将乘客拉向座椅后部，对上躯干的保护作用不明显，乘客下躯干的姿态变化较小；约束方案B(安全压杠)直接作用于乘客胸腹部，对乘客的上躯干有明显的保护作用，抑制乘客上躯干前倾，对下躯干的抑制作用不明显。当加速度向上(az>0)和加速度向前(ax>0)时，如图7、图8所示，加速度载荷本身分别将乘客压入座椅背和座位面，确保了乘客安全束缚于座椅内，安全带和安全压杠此时主要作用是防止加速度冲击下乘客与座椅的相互作用产生的前倾等趋势。

图6 ax=-3.5g，az=0，t=0.2s仿真结果

图7 ax=0，az=6g，t=0.2s 仿真结果

图8 ax=6g，az=0，t=0.2s 仿真结果

3.2 典型结果输出

通过LS-DYNA仿真[7]得到2秒内不同束缚模型在4种极限加速度载荷下的人体响应情况。包括假人不同部位加速度、腰带拉力等结果。其中加速度方向为乘载系统的地面为基准的前后(X)、上下(Z)、左右(Y)方向，坐标系为全局坐标系。

以束缚方案A为例，观察4种极限载荷下的输出如图9-12所示。

1)az=-2g，ax=0时，各部分X与Z向加速度输出、腰带力如图9(a)～(b)所示。

图9 az=-2g，ax=0时，向加速度输出、腰带力

当乘客在向下加速度(az<0)冲击时，可以看出Z方向的响应时间为臀部<头部和胸部，此时乘载系统给乘客向下的加速度主要来自腰带将乘客拉向座位面，腰带力作用于腰部，因此腰、臀部响应时间较短。从最大值上看，臀部与胸部az相近，结合腰带力的输出，乘客的向后冲击加速度极值在0.097s处az达到-4.48g，此时腰带力是乘载系统施加给乘客的主要作用力，达到1228N。

2)az=0g，ax=-3.5g时，各部分X与Z向加速度输出、腰带力如图10(a)～(b)所示。

图10 az=0g，ax=-3.5g时，向加速度输出、腰带力

当乘客在向后加速度(ax<0)冲击时，可以看出X方向的响应时间为臀部和胸部<头部，此时乘载系统给乘客向后的加速度主要来自腰带将乘客拉向靠背，乘客腰部加速度在0.1s前后达到-8.4g，腰带力达到4398N

3)az=6g，ax=0g时，各部分X与Z向加速度输出、腰带力如图11(a)～(b)所示。

图11 az=6g，ax=0g时，向加速度输出、腰带力

当乘客在向上加速度(az>0)冲击时，可以看出Z方向的响应时间为臀部<胸部<头部，0.06s后乘客各个部位开始振荡阶段，在极短的时间内人体头、胸、腰部加速度达到20～50g；腰带力不超过22.4N

4)az=0g，ax=6g时，各部分X与Z向加速度输出、腰带力如图12(a)～(b)所示。

图12 az=0g，ax=6g时，向加速度输出、腰带力

当乘客在向前加速度(ax>0)冲击时，可以看出X方向的响应时间为胸部<臀部<头部，0.1s后乘客各个部位开始振荡阶段，在极短的时间内人体头、胸、腰部加速度超过15g，腰带力不超过32N

4 结论

文中分别选取并建立了以安全带、安全压杠、安全带和安全压杠组合为乘客束缚装置的约束系统模型，在LS-DYNA中模拟4种极限加速度冲击下3种典型乘客约束装置的束缚[11]过程，通过输出人体指定部位加速度和腰带力等动态响应，对束缚装置约束有效性进行分析。

从仿真结果可以看出，乘客约束系统是降低乘客动态响应保证乘客安全的有效工具，其中腰带拉力等直接反映了加速度冲击时乘客束缚装置对乘客的束缚作用。同时，不同约束系统约束效果差异较大，其中安全带对乘客腰部约束效果明显，对乘客上躯干和下躯干的姿态无明显抑制作用；安全压杠主要约束乘客的上躯干姿态变化，就文中约束方案来讲，约束方案C的约束有效性最好，但多数情况下约束方案B与约束方案C对乘客的束缚效果无明显差别；此外，从图像中可输出在0.2s内，乘客受到腰带力和加速度变化趋势，以此作为保证乘客安全的参考依据；同时，乘客的头部和胸部加速度响应极值普遍比设备加速度峰值大，在游乐设备运动设计时，在保证设备人体加速度符合要求的基础上，还应格外注意人体响应加速度的安全。

通过上述仿真分析，为不同游乐设施束缚装置约束有效性研究和不同加速度条件的乘客束缚装置的选型设计提供参考，同时，在保障乘客安全的前提下，选取合适的束缚装置，降低企业成本资源。