基于ADAMS的大型游樂設施人體G加速度的測量轉換方法研究

張永 陳坤

摘 要

基于多年的大型游樂設施行業從業經驗和安全規范應用經驗，對虛擬樣機仿真軟件ADAMS進行人體加速度的測量實現方法以及測量后如何進行慣性G加速度轉換進行了詳細研究和論述。實測結果表明文中所述方法正確可靠，可代替實物測試、進行游樂設備人體加速度設計。

關鍵詞

ADAMS;人體加速度;慣性G加速度;轉換

中圖分類號： TP212;R318 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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

經濟的持續快速發展促進了游樂設施產業的穩步發展，各種游樂設施層出不窮、不斷涌現，而加速度的大小直接影響著設備運行的刺激程度，過大的加速度將會引起乘客頭暈、嘔吐等不適生理現象，甚至危及乘客的生命安全。國外標準很早就對游樂設施的加速度范圍做了明確限制，我國最新頒布的大型游樂設施標準GB8408-2018[1]也對加速度數值做了要求，規定加速度設計作為游樂設施的重要設計指標。對于獲取游樂設施加速度的手段，一般除了實物樣機測量、主要還有就是各種數值軟件的仿真計算。

在數值軟件模擬仿真游樂設備方面，ADAMS軟件因其精準穩健的數值計算性能，直觀全面的參數觀測界面，使其成為使用最廣泛的游樂設備動力系統虛擬仿真分析軟件;關于此方面的研究工作和成果[2-3]，很多的論文很早就有論述、本文不再贅述。筆者基于多年的大型游樂設施行業從業經驗和安全規范應用經驗，對未曾見諸報端的ADAMS進行人體加速度的測量實現方式以及測量后進行慣性G加速度轉換方法進行了詳細研究和論述。

1 人體加速度和慣性G加速度

牛頓第二定律F=ma，也就是物理受力與加速度的關系，成立的前提就是所有的數值都必須在慣性參考系中，所謂的慣性參考系，是可以被認定為靜止或者是勻速直線運動的，經典力學中，物體受力分析一般采用地心慣性系。大型游樂設施安全規范GB8408[1]規定：“游樂設施乘客的加速度以人體空間坐標系表達，用實際加速度與重力加速度g的比值表示”，所以游樂設施的G加速度涉及慣性坐標系向人體坐標系的加速度轉換，包含一個地球重力加速度g的初始值。而ADAMS軟件中的加速度為運動學的加速度，其大小為速度的變換率，方向為速度增量的方向。其中中國特種設備檢測研究院的梁朝虎[4]等人很早就對國外游樂設施標準進行了研究，并提出了游樂設施的慣性G加速度、使用乘客對約束物的反作用力與物體重量的比值計算的方法，但因提出過早、且未結合虛擬樣機軟件進行詳細計算方法的示范，所以并未引起游樂設施相關從業人員的重視和使用推廣。

筆者根據長期的游樂設施從業經驗和虛擬樣機軟件應用經驗，研究給出了其他兩種使用運動學仿真軟件實現游樂設施慣性G加速度的測量轉換方法，并以一過山車項目為例，詳示了技術原理和實現過程。

2 游樂設施的虛擬樣機建模和仿真，人體運動加速度測量[5]

ADAMS軟件中按游樂設施各部件真實尺寸和連接關系建立仿真模型，乘客心臟處建立運動加速度的測量標記點，標記點坐標方向按GB8408[1]人體加速度坐標系[5]建立如圖1所示。首先通過該坐標點（投影于自身軸向）的三方向平動加速度測量或實時加速度函數測量功能實現人體運動加速度的數值測量。

以一過山車項目為例，通過Bspline曲線引入過山車的軌道曲線離散點（軌道曲線通過方程設計產生，在CAD設計軟件中生成三維曲線）、在ADAMS中建立過山車軌道曲線實體。例中僅考慮軌道形狀產生的加速度、過山車實體以及過山車輪系和軌道接觸關系均不再考慮，所以建立一虛擬簡化過山車實體、使用點線副約束車體和軌道關系，并借助彈簧襯套等力約束實現簡化過山車體姿態隨軌道切矢變化。建立的完整可運行的過山車虛擬樣機仿真模型如圖2所示。

在過山車上建立人體坐標系（圖1所示）的加速度測量，得到乘客運動學加速度如圖3所示。

3 地球重力加速度g向人體坐標系的等效轉換

3.1 向量的方向余弦法

一個向量的方向余弦分別是這個向量與三個坐標軸之間角度的余弦，如圖4所示。向量v與x、y、z軸的方向余弦分別為cosγ、cosα、cosβ，分別等于向量在各軸向上的分量和向量長度的比值，即：

虛擬樣機仿真軟件ADAMS中可通過Orientation Meas ure-Direction Cosines工具實時進行人體動坐標系和地球重力加速度g軸的方向余弦時間歷程測量，地球重力加速度g和得到的方向余弦相乘后即可得到g的實時分解。

3.2 向量的直接分解投影法

地球重力加速度g向量直接向人體動坐標系進行投影分解，同樣可實現g的實時分解，如圖5所示。具體實現上ADAMS中可通過兩個全局坐標系的標記點（方向豎直向下、距離等于g的數值大小）建立地球重力加速度g向量，然后通過DX（To_Mar ker，From_Marker，Along_Marker ）函數指定投影的人體坐標系和軸向實現投影分解。

3.3 人體慣性G加速度的數值計算

地球重力加速度g的投影分解（圖6所示）再復合加上人體動坐標系的運動學加速度（圖3所示）即可得到最終的游樂設施人體慣性G加速度（圖7所示）。

對于本例的過山車項目設備，由最終的人體慣性G加速度數據Ax（-1.1g—1.3g）、Ay （-4.2g—3.3g）、Az （-2.5g—2.4g），據GB8408[1]加速度允許值章節、可判斷加速度在設計允許范圍內、設備安全;由束縛裝置選型章節，可知該項目的設計加速度到達5區，對應5級束縛裝置要求。

4 加速度計實測數據驗證

為進一步驗證文中計算方法的正確性，針對一實體游樂設施（圖8所示）、將文中所述方法進行計算的人體慣性加速度值和該設備使用三方向加速度計實測數據進行比對，比對結果表明，兩者在X、Y、Z三個方向的數值均完全吻合（如圖9所示）。

5 結論

文中所述計算方法結果數據、經與零頻的加速度計實測數據進行比對，得到較一致的吻合結果，證實文中所述方法正確可靠，可代替實物測試、進行游樂設備人體慣性G加速度的數值設計和束縛裝置選型，為游樂設備的研究試制提供性能改善和安全判定意見。

參考文獻

[1]GB 8408-2018，大型游樂設施安全規范[S].

[2]梁朝虎，沈勇，秦平彥，林偉明.滑行車類游樂設施動力學建模與仿真[J].中國安全科學學報，2007，17卷9期.

[3]梁朝虎，秦平彥，林偉明，付恒生.基于虛擬仿真的過山車輪架疲勞壽命分析[J]. 中國安全科學學報，2008，18卷7期.

[4]梁朝虎，沈勇，鄂立軍，張勇.游樂設施G加速度分析與判別方法[J].中國安全科學學報，2008，18卷11期.

[5]陳峰華.ADAMS 2016 虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京：清華大學出版社2017.