拨打电话作者：赵九峰
主编：杨明
编辑：刘凯叶
赵九峰
“中国游乐” 特约作者
2009年大连理工大学工程机械专业硕士毕业，CAD/CAE工程师，检验师，主要从事游乐设备设计、计算、有限元仿真，仿真论坛Ansys WB版主。发表游乐设施设计计算方面的论文二十余篇。
本文是第六届中国游乐行业摩天奖-最受欢迎的《中国游乐》特约作者打榜文章，如果您喜欢本文，请记得给作者投票，投票编号：025。
摘要：加速度是游乐设施安全性的一个重要指标和选择乘人束缚装置的重要依据，对乘人的束缚装置应与乘人的加速度相适应，游乐设施乘人束缚装置的可靠有效与否，直接决定着乘人的人身安全。本文以狂呼为例，给出了乘人加速度理论计算方法；并利用Workbench仿真软件，进行狂呼动力学仿真分析，提取狂呼乘人加速度时间历程曲线，与理论计算分析比较，仿真结果和理论计算结果非常接近，表明仿真计算结果的可靠性和正确性。通过对乘人加速度的计算，确定设计加速度的分区，指导乘人束缚装置的选型。其计算方法和结果可为旋转类游乐设施乘人加速度的计算和束缚装置的设计选型提供了参考，通过束缚装置本体的可靠性来约束和控制游客的不安全行为，提高游乐设施的本质安全。
关键词：狂呼游艺机；g加速度；束缚装置；动力学；虚拟样机；游乐设施
狂呼是一款大型观览车类游乐设备，乘人乘坐在中心对称的两个自由旋转的座舱，大臂在360度旋转时时而失重坠落，时而超重上升，同时座舱依靠离心力自由旋转，是近年来新开发出来的大型游乐设备,它以其独特的惊险性、刺激性深受广大游客的喜爱[1]。
游乐设施的动态设计，主要考虑机构的运动加速度不能超过人体的承受范围，设备在运行过程中只要有加速度就会产生惯性力，加速度越大惯性力越大。乘人本身质量产生的惯性力，会直接作用在乘人身上。惯性力超过了一定限度，就会对人身造成伤害，所以有必要规定加速度的允许值[2]。由于游乐设施加速度采用的是g加速度，与通常概念中的加速度有所不同，而标准中对g加速度的分析和校核方法未加详细说明，因而给加速度的分区带来一定的困扰[3]。
本文在分析狂呼运行特点和载荷特性分析的基础上，利用虚拟样机技术建立狂呼整机的动力学模型进行狂呼动力学仿真分析计算乘人加速度，并与传统力学计算结果比较。通过对乘人加速度的计算，确定设计加速度的分区，以及如何通过加速度的分区来指导乘人束缚装置的选型。
01
乘人g加速度理论计算
1.1 人体坐标系
g加速度是实际加速度与重力加速度g的比值，游乐设施中的“实际加速度”和运动学中的加速度的大小和方向不同，运动学中的加速度为速度随时间的变化率，是描述速度变化快慢的物理量，加速度是矢量，方向为速度变化的方向，与合外力方向相同。而游乐设施中的加速度实质上是惯性加速度，与惯性力（包括重力）的方向一致，其大小包含重力加速度[3]。
为了乘人不受到伤害，游乐设施乘人的加速度应限制在一定的范围内[4]，欧盟、美国、澳大利亚标准中对此进行了详细的规定，如欧盟标准给出了g加速度的定义，并给出了人体空间坐标系各个方向的加速度及合成加速度的限定范围，并且规定乘人束缚装置须根据乘人加速度的分区进行选型[3]。在新版GB8408-2018《大型游乐设施安全规范》引用欧盟加速度部分的规定。人体坐标系规定人体前后方向为x轴，压紧为正，拉开为负；体躯干头脚之间方向为z轴，压紧为正，拉开为负。人体空间坐标系如图1所示。
图1 人体坐标系示意图狂呼游乐设备使用年限
Fig.1 Human coordinate system
根据GB8408-2018《大型游乐设施安全规范》中图3~图5，确定Y向加速度
、Z向加速度
、YZ组合加速度
的许用值，可判定乘人加速度是否符合GB8408-2018的要求。
1.2 狂呼乘人加速度计算
狂呼游艺机为固定式，游客坐在座舱上，设备顶部2台电机驱动使回转臂沿水平面作360度旋转，同时座舱离心力作用下自由旋转。狂呼游艺机由底板、立柱、回转臂、座舱等部分组成；回转臂通过机座与立柱连接，回转臂中心是机座，有二组驱动装置，分别由电机、减速器、小齿轮、回转支承进行减速驱动。狂呼的结构简图如图2所示。
图2 狂呼结构简图
Fig.2 The structure schematic of Scream amusement
座舱组件运动过程中，受到重力加速度和离心加速度的双重作用，由于绕着水平轴旋转，离心加速度方向背离中心水平轴，重力加速度的方向始终向下。
狂呼回转臂的半径
=9.9m，回转臂稳定运行时，回转角速度
=0.73 rad/s。座舱运行过程中的加速度示意图如图3所示。
图3 乘人加速度示意图
Fig.3 Passenger acceleration diagram
由公式（3）可知，运行到最底部时，重力势能转化为动能，速度最大，此时的加速度最大， 最大值（θ=0°）：
由《大型游乐设施安全规范》图4 可知竖直向下[az]=6g（1-10%）=5.4g。竖直向下相对加速度, 由第5 节载荷特性分析：az=1.54g﹤[az]=5.4g，表明竖直方向加速度满足设计要求。
狂呼旋转过程中，座舱处于旋转状态，由公式（2）可知，当回转臂转动到水平位置时，离心加速度与重力加速度夹角最大，此时座舱与竖直方向的夹角：
由《大型游乐设施安全规范》6.3.2.3 节可知，+x 方向的最大加速度不超过6g, -x 方向的最大加速度不超过3.5g[4]。表明乘人前后x 方向的加速度满足设计要求。
由于乘人Y向（侧向）无运动，则对应的侧向+y加速度
=0。
02
狂呼的动力学分析
Rigid Dynamics是ANSYS Structural产品的一个附加模块软件，它集成于Workbench环境下，在Structural所具有的柔性体动力学(瞬态动力学)分析功能的基础上，基于全新的模型处理方法和求解算法，专用于模拟由运动副和弹簧连接起来的刚性组件的动力学响应[5]。
Rigid Dynamics提供的完整的运动副类型来自动定义构件的运动关系，并提供了丰富的载荷库，以此来创建完全参数化的机械系统动力学计算模型。在求解算法上，Rigid Dynamics采用了无需迭代计算和收敛检查的显式积分技术，并提供了自动时间步功能，来快速求解复杂系统的动力学特性，输出位移、速度、加速度和反作用力等历程曲线 [5]。
2.1 载荷与约束
首先依据狂呼的总体尺寸，创建狂呼的有限元实体模型，并分别设置质量属性，并进行几何样机的装配，建立装配体模型，在此基础上，进行动力学模型的建立[6]。每个乘人质量为72kg,利用质量单元（Point Mass）,附加到座椅的相应位置。
支架部件的底板固定在地面，因此在立柱底板与地面之间，施加固定（Fixed）约束，模拟底板与地面之间的紧固连接；立柱和撑架与机座之间，通过法兰螺栓固定连接，施加固定（Fixed）约束；在电机、驱动轮的作用下，回转臂部件绕上部机座中心转动，座舱通过回转支承与回转臂端部连接，在重力和离心力作用下自由旋转，在相对转动的约束部位，施加旋转幅（Revolute）[7]。
运行稳定状态下，回转臂部件绕着中轴线转动的最大角速度为0.73 rad/s。在相对运动的部位，施加驱动载荷（Joint Load），载荷类型为角速度（Rotational Velocity），由于狂呼为单向旋转类型，启动时间15s，达到最大速度，模拟狂呼在整个运行周期内的各种参数，总的驱动时间为45s。
狂呼在整个运行周期内，始终受到地球重力的作用，施加重力加速度为9.8m/s2 ，方向为Y负向。载荷与约束如图4所示：
图4载荷与约束
Fig.4 Load and constraint
2.2结果提取与分析
通过对狂呼动力学仿真分析，可以得到狂呼座舱乘人在运行中的速度、加速度的时间历程[8]。提取加速度参数，狂呼座舱部位（乘人）加速速度时间历程曲线如图5所示。
图5局部坐标系下乘人加速度
Fig.5 Human acceleration in local coordinate system
由图5可知，乘人的最大水平加速度(ax)为5.02m/s2，对应的g加速度为0.51g。
乘人的最大侧向加速度(ay)为0m/s2，对应的g加速度为0。
乘人的最大竖直加速度（az）为±5.11 m/s2，对应的g加速度为±0.52g,由于竖直加速度需要考虑惯性加速度，因此az=±0.52g+1g=[0.48g,1.52g]。
通过以上分析可以看出，仿真结果和理论计算结果非常接近，说明所建立的仿真模型是合理的，说明基于虚拟样机的刚体动力学分析方法和结果的正确性和可靠性。
03
束缚装置的选型
当游乐设施运行时，乘人有可能在乘坐物内被移动、碰撞或者会被甩出、滑出时，必须设有乘人束缚装置。束缚装置包括安全带、安全压杠、挡杆等[9]。乘人通过束缚装置的约束与游乐设施产生一致的运动，因此，游乐设施既要完成一定的运动，又要确保绝对的安全，安全是游乐设施的根本。游乐设施安全最重要的内容是是为乘人提供合适的束缚装置。与运动加速度相适应的束缚装置的选型是游乐设施的核心技术之一，过多的束缚是一种浪费，过少的约束又是危险的[10]。
由《大型游乐设施安全规范》可知，乘人设计加速度的区域划分如图6所示，依据加速度区域划分进行束缚装置选型。
图6设计加速度的5个区域
Fig.6 Design acceleration 5 areas
有图6可知，大型游乐设施人体坐标系下的X、Y、Z方向的设计加速度，当加速度x<0（向前）时，或z<0时（向上），存在将乘人与座舱分离的力，需要安全可靠的乘人束缚装置。随着加速度区域由低向5级递增，危险性不断增大，应逐渐采取强化措施，提高乘人束缚装置的安全性可靠性。
由第2节可知，狂呼乘人水平方向g加速度
,《大型游乐设施安全规范》6.3.2.3 节：+X 方向的最大加速度不超过6g, -X 方向的最大加速度不超过3.5g。表明前后X方向的加速度满足设计要求；乘人竖直方向g加速度
，由《游乐设施安全规范》图4 可知竖直向下[az] =5.4g。表明竖直Z方向加速度满足设计要求。
综上，狂呼乘人对应设计加速度的区域在区域2，如图6所示。由《大型游乐设施安全规范》6.8.3.5 节：区域2-对应2级束缚装置，其要求如下[4]：
a) 每套束缚装置保护乘人数量-可以用于一个或多个乘客；
b) （束缚装置）锁紧位置-最后锁紧位置固定或可调节；
c) （锁紧机构）锁紧类型-乘客或操作员均可锁紧；
d) （锁紧机构）释放类型-乘客或操作员均可打开；
e) （束缚装置）锁紧和释放方式-可手动或自动开启和关闭；
f) 锁紧装置的冗余-不要求冗余；
g) 正常或异常状态的外部指示类型-不要求外部指示；
根据《大型游乐设施安全规范》中区域2中束缚装置的要求，设计一套狂呼的束缚装置，如图7所示。
图7 狂呼束缚装置
Fig.7 constrained device of Scream amusement
狂呼每个座舱有一套压杠体装置和安全带，锁紧装置为棘齿啮合锁紧，可以根据乘人体型进行调节，依靠棘齿内弹簧实现自动锁紧，棘齿锁紧后，仅能通过操作人员对拉开手柄，打开锁紧装置，一套压杠体锁紧两排棘齿，相互独立。
综上，狂呼锁紧束缚装置满足区域2的要求，设计选型合理。
04
结论
游乐设施乘人束缚装置的可靠有效与否，直接决定着乘人的人身安全，而乘人加速度的分区，是乘人束缚装置设计选型的依据[11]。
（1）通过乘人与束缚装置的相互作用来确定g加速度，并通过实例进行计算，提供了狂呼乘人加速度理论计算方法；
（2）利用Workbench仿真软件中的动力学模块，建立狂呼的动力学模型并进行仿真分析，获得狂呼乘人加速度时间历程曲线，狂呼加速度仿真结果与理论计算误差很小，表明了基于虚拟样机的刚体动力学分析方法和结果的正确性和可靠性[12]；
（3）通过对狂呼乘人加速度的理论计算和仿真分析，可以在设计阶段获得乘人所处的加速度区域，为游乐设施束缚装置的设计选型和安全评价提供依据，其计算方法和结果可为旋转类游乐设施乘人加速度的计算和束缚装置的设计选型提供了参考[13]。
参考文献：
[1] 王进. “狂呼”游艺机振动建模与力学仿真分析[J].湖南科技大学,2015.
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[4] GB 8408-2018 大型游乐设施安全规范[S].
[5] 刘笑天等. ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京:中国水利水电出版社,2015.
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[7] 梁朝虎，沈勇，秦平彦等. 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（9）：14-20.
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狂呼游乐设备使用年限[10] 刘培广.游乐设施乘人约束无与加速度的关系[J]. 中国锅炉压力容器安全，2005（2）：45-50.
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[13] 赵九峰. 基于ANSYS Workbench自控飞机回转机构驱动功率的计算及电机选型[J]. 机械，2019（4）：30-33.