大型游乐设施惯性加速度计算与校核.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()大型游乐设施惯性加速度计算与校核赵九峰,(河南省特种设备检验技术研究院,河南郑州 ;航空经济发展河南省协同创新中心,河南郑州 )摘要:游乐设施采用惯性加速度作为评价指标,针对惯性加速度难以精确计算的问题,提出了在非惯性坐标系下,引入牛顿第二定律,用惯性力等效求解游乐设施惯性加速度的方法.以国内某高空飞翔为工程实例,利用仿真软件W o r k b e n c h的动力学仿真模块,构建局部随动坐标系,提取惯性力数据,绘制各向加速度曲线,并依据相关规范对加速度进行校核.关键词:大型游乐设施;惯性加速度;惯性力中图分类号:T P T S 文献标识码:A河南省科技攻关计划项目()收稿日期:;修订日期:作者简介:赵九峰(),男,河南平顶山人,高级工程师,硕士,主要研究方向为游乐设备结构仿真与载荷响应.引言游乐设施速度变化给乘客带来感官刺激的同时,其安全性也受到广泛关注.加速度越大,惯性力越大,惯性力会直接作用在乘客身上,当惯性力超过了一定限度,会对乘客的身心健康造成一定的伤害.为了保障乘客的安全,G B 大型游乐设施安全规范 规定采用加速度作为游乐设施的重要设计指标.游乐设施行业采用的加速度为惯性加速度,针对游乐设施惯性加速度的理论计算过于麻烦而物理样机测试成本高的问题,提出了在非惯性坐标系下用惯性力等效求解加速度的方法.人体坐标系与惯性力 人体坐标系在物理学领域,对一切运动的描述都是相对于某个参考系的,参考系选取的不同,对运动的描述随之不同.对地面静止或者做匀速直线运动的参考系称为惯性参考系,而相对于地面做变速运动的参考系称为非惯性参考系.游乐设施加速度采用的是非惯性坐标系下的加速度,即惯性加速度.G B 大型游乐设施安全规范 规定:游乐设施乘客的加速度以人体空间坐标系表达.以乘客身体躯干作为研究对象,建立以乘客胸部为中心(通常取座椅上方 mm位置)的人体坐标系,游乐设施的人体空间坐标系如图所示.惯性力游乐设施采用的加速度与动力学中的加速度是两个概念,因此不能直接采用动力学的加速度计算方法.游乐设施采用非惯性坐标系下的惯性加速度,为了使非惯性坐标系中牛顿定律仍然适用,假想在非惯性坐标系中的乘客受有某种力,这种力称为惯性力F(N),其值由下式计算:Fm a()其中:m为乘客的质量,k g;a为惯性加速度,m/s.图人体空间坐标系惯性力是在非惯性坐标系中真实存在的力,当mk g时,惯性加速度和惯性力在数值上是相等的,并且方向上保持一致.因此,可通过求解惯性力,等效求解游乐设施惯性加速度.工程应用 设备参数以国内某型号的高空飞翔为计算对象,设备总高度为 m,共有 组臂架,每个臂架端部悬挂一个座椅,每个座椅乘坐两名乘客,满载 人.额定提升(下降)速度为 m/s,高空飞翔的旋转角速度为r a d/s,启动和制动时间为 s.高空飞翔主要由塔体、提升系统、座椅、臂架和旋转提升体等部件组成,其结构简图如图所示.塔体;提升系统;座椅;臂架;旋转提升体图高空飞翔设备简图 动力学模型依据各部件结构尺寸和质量参数,建立高空飞翔塔体、旋转提升体、臂架和座椅的结构模型,在动力学仿真模块中进行几何样机的装配,构建刚体动力学虚拟样机模型.G B 大型游乐设施安全规范 节规定:活载荷,乘坐人人时按不低于 N/人计算,人以上按不低于 N/人计算,保守计算,统一按照每名乘客的质量为 k g进行计算,用质量单元(M a s s)模拟乘客质量.高空飞翔动力学模型如图所示.图高空飞翔动力学模型 载荷与约束高空飞翔 塔体立柱底 部与地面之 间施加固定(F i x e d)约束,旋转提升体和塔体连接部位施加旋转滑动副(C y l i n d r i c a l)约束,臂架和旋转提升体之间施加固定(F i x e d)约 束,座 椅 和 臂 架 端 部 施 加 旋 转 副(R e v o l u t e)约束.在座椅上方构建虚拟的球体模型,设置球体的质量为k g,球体的质心在距离座椅正上方 mm位置,球体与座椅之间施加固定副(F i x e d)约束,设置参考坐标系(R e f e r e n c eC o o r d i n a t eS y s t e m),定义的参考坐标系就是能够随座椅一起摆动的随动坐标系,并且运动过程中参考坐标系的方向始终和人体坐标系保持一致.载荷与约束如图所示.加速度提取与校核 加速度提取设置三个载荷步:第一个载荷步为启动阶段,旋转提升体和塔体运动副施加驱动载荷,s s内直线速度从增加到 m/s,旋转速度从增加到r a d/s;第二个载荷步为稳定运行阶段,时间为 s s,额定速度下持续运行时间为 s;第三个载荷步为减速阶段,s s内直线速度从 m/s减小到,旋转速度从r a d/s减小到.整个运行周期为 s,整体施加竖直向下的重力加速度,值为 m/s.图载荷与约束在W o r k b e n c h刚体动力学分析模块中对高空飞翔进行动力学分析,通过求解模块提取整个运行周期内虚拟球体在参考坐标系下x、y、z向的惯性力,惯性力提取示意图如图所示.根据惯性力和惯性加速度的等效原则,惯性力的大小即为加速度的大小.在E x c e l软件中绘制加速度时间历程曲线,高空飞翔加速度时间历程曲线如图所示.图惯性力提取示意图图高空飞翔加速度时间历程曲线由图可知:前后方向加速度ax最大值为 m/s(g),最小值为 m/s(g);左右方向加速度ay为m/s(g);竖直方向加速度az最大值为 m/s(g),最小值为 m/s(g).年第期赵九峰:大型游乐设施惯性加速度计算与校核综上,高空飞翔的三向加速度为:ax g,g,ayg,az g,g.加速度校核人体对不同方向加速度承受能力存在差异,且对加速度承受持续时间的忍受度不同,G B 大型游乐设施安全规范 根据持续时间划定曲线,对游乐设施各向加速度进行限定.保守计算,按照最严苛加速度限定条件,校核高空飞翔的各向加速度,具体要求如下:()x向加速度ax需满足:gax g.()y向加速度ay需满足:gay g.()z向加速度az需满足:gaz g.综上可知,在高空飞翔的运行过程中,乘客承受的各向加速度较小,各向加速度满足安全规范的要求.结论游乐设施加速度采用的惯性加速度与运动学的加速度概念不同,给国内大部分中小设备制造企业和检验部门的理解和计算造成困惑.本文以国内某型号的高空飞翔为研究对象,采用虚拟样机技术对其进行刚体动力学计算,并对计算结果进行校核计算,计算结果表明:()通过虚拟模型的惯性力等效获取惯性加速度,这一等效原则省去了通过坐标变换确定惯性加速度的过程,为动力学仿真分析确定游乐设施惯性加速度提供了有效途径.()基于虚拟样机的动力学仿真技术与传统的理论计算方法相比,具有成本低、周期短、数据可靠性高等优点,为其他不同游乐设施加速度的计算和校核提供了参考.参考文献:赵九峰海盗船加速度计算及乘客束缚装置选型校验J机械工程与自动化,():,中国特种设备检测研究院,江苏省特种设备安全监督检验研究院,中山市金马科技娱乐设备股份有限公司,等G B 大型游乐设施安全规范S北京:中国标准出版社,:吴俊峰巧选参考系简化力学问题J物理教师,():罗亿,赵忠芹不同惯性参考系下的动量和动量定理J中国新通信,():赵九峰基于AN S Y S W o r k b e n c h大摆锤刚体动力学分析J机械研究与应用,():赵九峰自控飞机气缸销轴受力分析及疲劳校核计算J渤海大学学报(自然科学版),():苏晓峰,赵九峰,丁舟波,等基于W o r k b e n c h狂呼乘人加速度计算及束缚装置选型J机械,():,梁朝虎,沈勇,鄂立军,等游乐设施G加速度分析与判别方法J中国安全科学学报,():C a l c u l a t i o na n dC h e c ko f I n e r t i a lA c c e l e r a t i o no fL a r g e S c a l eA m u s e m e n tD e v i c eZ H A OJ i u f e n g,(H e n a nS p e c i a lE q u i p m e n tI n s p e c t i o nT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e,Z h e n g z h o u ,C h i n a;C o l l a b o r a t i v eI n n o v a t i o nC e n t e ro fA v i a t i o nE c o n o m yD e v e l o p m e n to fH e n a nP r o v i n c e,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:Am u s e m e n t f a c i l i t i e su s e i n e r t i a la c c e l e r a t i o na st h ee v a l u a t i o ni n d e x I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a t i t i sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t e t h e i n e r t i aa c c e l e r a t i o na c c u r a t e l y,t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dam e t h o dt os o l v e t h e i n e r t i aa c c e l e r a t i o no f a m u s e m e n t f a c i l i t i e sb y i n t r o d u c i n gN e w t o n s s e c o n d l a wi n t h en o n i n e r t i a c o o r d i n a t e s y s t e ma n du s i n g t h e i n e r t i a f o r c e e q u i v a l e n t T a k i n gah i g h a l t i t u d ef l i g h tp r o j e c t i nC h i n aa sa ne x a m p l e,t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d u l eo f t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eW o r k b e n c hi su s e dt oc o n s t r u c tal o c a l f o l l o w u pc o o r d i n a t es y s t e m,e x t r a c tt h ei n e r t i a lf o r c ed a t a,d r a wt h ea c c e l e r a t i o nc u r v ei ne a c hd i r e c t i o n,a n dc h e c kt h ea c c e l e r a t i o na c c o r d i n gt ot h er e l e v a n t s p e c i f i c a t i o n s K e y w o r d s:l a r g e s c a l ea m u s e m e n td e v i c e;i n e r t i aa c c e l e r a t i o n;i n e r t i a l f o r c e(上接第 页)S t u d yo nF i t t i n gM e t h o do fD e n t a lA r c hL i n eB a s e do n DS c a n n i n gD e n t a lM o d e lP E N G W u j i e,MA OZ h i h o n g,X UC h e n y a n g,X I A OH a o(F a c u l t yo f I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,W u y iU n i v e r s i t y,J i a n g m e n ,C h i n a)A b s t r a c t:D e n t a l a r c hc u r v e i st h eb a s i so fo r t h o d o n t i ct r e a t m e n t I t i sn e c e s s a r yt oa n a l y z ea n dm e a s u r et h es h a p eo fd e n t a la r c hc u r v e i nc l i n i c F i r s to f a l l,t h em e s hf e a t u r ep o i n t sa r es c r e e n e df o rt h ef i r s t t i m eb a s e do nt h em e s hs a l i e n c y,a n dt h e nt h e i n i t i a lr e f e r e n c ep o i n t sa r es e l e c t e db yu s i n gt h ea n g l ea n dd i s t a n c eb e t w e e nt h em e s hf e a t u r ep o i n t sa n dt h eo c c l u s a l p l a n e A f t e r t h a t,t h es e l e c t e di n i t i a l r e f e r e n c ep o i n t o nt h e Dm o d e l i sp r o j e c t e dt ot h eo c c l u s a l t w o d i m e n s i o n a l p l a n e,a n dt h eq u a r t i cp o l y n o m i a l i su s e dt o f i t t h em a p p i n gp o i n t o n t h e t w o d i m e n s i o n a l p l a n e F i n a l l y,t h ed e n t a l a r c h l i n e i so b t a i n e dq u i c k l y,a u t o m a t i c a l l ya n da c c u r a t e l y T h ed r a w nd e n t a l a r c hl i n ec a nb eu s e dt oa s s i s to r t h o d o n t i s t s i nj u d g i n gt h em a l o c c l u s i o no f t e e t h,d i a g n o s i n gp a t i e n t s,d e s i g n i n ga n dm a k i n go r t h o d o n t i cp l a n s K e y w o r d s:m e s hs a l i e n c y;d e n t a l a r c hc u r v e;Ds c a n n i n g;d e n t a lm o d e l;f i t t i n g机 械 工 程 与 自 动 化 年第期