游乐设施工程仿真解决方案

01

仿真需求

1.1 游乐设施设计依据的法规标准

• 游乐设施安全规范（GB8408）

• 各游乐设施分项标准（GB18158~ 18170）

- 转马类

- 滑行类

- 陀螺类

- 飞行塔类

- 赛车类

…

• 特种设备安全监督条例及技术规范

1.2 游乐设施设计计算要求

一般性要求：

• 设备的运动与受力分析；

• 载荷分析与计算，包括动载、静载、地震、风载、雪载、载荷组合等对设备强度、刚度、稳定性的影响；

• 设计计算的输入完整、正确，计算项目完整、方法正确、过程清晰，计算输出符合GB8408法规要求；

• 重要产品、关键受力部件应采用计算软件进行分析计算，包括：

- 采用虚拟样机手段对运动型式复杂的游乐设施进行运动学、动力学分析；

- 设备整体刚度、稳定性、防倾覆和侧滑计算；

- 设备整机和主要受力部件的疲劳寿命计算；

- 受力结构及其重要零件的强度、局部应力集中情况分析；

- 传动系统、液压系统与气动系统的受力与选型计算；

- 重要焊缝的强度与疲劳计算、布置合理；

- 高强度螺栓、地脚螺栓的强度、断裂失效分析；

…

1.3 游乐设施仿真应用方向

02

解决方案

2.1 单点解决方案

• 系统动力学：Adams

• 强度、刚度：MSC Nastran

• 安全性、稳定性：MSC Nastran

• 振动分析：MSC Nastran

• 结构优化：MSC Nastran

• 疲劳与耐久 ：MSC Fatigue

• 控制、液压：Easy5

2.2 多学科联合解决方案

2.2.01 刚柔耦合：

Adams+MSC Nastran

• 通过集成柔性部件，提高系统动力学仿真精度

• 帮助得到更精确的载荷与应力分析

• 从任意的有限元分析软件获得部件的柔性信息

- Nastran

- Marc

- Abaqus

- Ansys

• 包含线性和非线性柔性

2.2.02一体化疲劳：

Adams+MSCNastran+Fatigue

2.2.03 机电联合：

Adams+Easy5

• Adams 建立系统动力学模型，油缸液压作动力由液压系统仿真模型提供，Adams反馈油缸位移和速度。

• Easy5建立液压系统仿真模型

2.3 游乐设施仿真平台框架

• 针对不同学科不同领域的问题，采用最专业的工具软件；

• 不同的专业软件，在统一的Patran框架下可共用模型，减少重复建模和数据传递损失；

• 不同工具软件相互之间有无缝数据接口，可方便地进行多学科集成，解决产品所面临的工程问题；

• 结构分析、疲劳分析、液压仿真软件与多体动力学软件Adams具有无缝双向数据传递接口，可有效搭建产品开发全面仿真分析平台。

2.4 Adams概述

• Adams（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）：机械系统自动化动力学仿真软件。

• 系统级运动仿真

• 大型、通用的机构大位移运动分析软件

• 用于建立复杂机械系统的“功能化虚拟样机”，在现实工作条件下逼真地模拟其所有运动情况

• CAE领域中使用范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具，全球市场占有率一直超过65%

2.4.01 Adams产品功能概述

• 系统级的运动学、动力学仿真

- 研究机构运动规律，进行干涉检查、轨迹研究等

- 分析部件的详细受力，以及受力与运动的关系

• 为有限元分析及疲劳寿命分析提供精确的载荷条件

• 系统级模态及振动分析

- 频域下的振动分析能力

- 分析机械系统模态频率、振型、频响、模态能量分布等

- 减振设计及振动优化

• 与控制系统集成实现精确的机电一体化协同仿真

- 联合仿真

- 控制导入

- FMI

• 通过考察多种设计方案加速设计创新

- 设计研究、试验设计和优化

- 快速评估多个设计变量

- 帮助理解多个设计因素之间的相互关系

- 确定目标-参数响应面 

2.4.02 Adams产品功能模块

 

2.4.03 与有限元集成

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506941818202218496?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

2.4.04 Adams/ViewFlex

大大缩短建立刚柔耦合系统的时间。

 

2.4.05 Adams/Flex

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506942055952068608?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

在您的模型中增加部件弹性特性：

• 支持从NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS、I-DEAS 等专业有限元分析软件导出的模态中性文件；

• Craig-Bampton 部件模态综合；

• 弹性体每阶模态振型动画回放；

• 用户可定义作用在弹性体上的分布载荷；

• 支持弹性体变形、应力、应变的彩色云图的动画回放；

• 可计算得到高精度的载荷数据；

• 为后续振动分析准备高精度的模型；

• 支持多学科结合的系统优化。

 

2.4.06 FE Part

• FE Part是Adams原生非线性部件建模对象，精确模拟具有几何大变形特征的部件。

• 采用MSC对绝对节点坐标方程（ANCF）和几何精确梁方程(GEBF)的基础算法，ANCF可以很好地处理结构大变形大位移的非线性计算问题，同时，通过改进单元的型函数的技术，Adams可以克服传统ANCF中出现的剪切锁定现象。

 

2.4.07 Adams/MaxFlex

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• Adams中嵌入Nastran SOL400功能考虑部件的材料非线性、几何大变形、边界条件非线性等的影响。

• 直接读取Nastran SOL400 BDF文件生成柔性体。

• Adams/Flex工具具备Abaqus文件转换功能。

 

2.4.08 ACSI

Adams-MarcCo-Simulation Interface（ACSI）

• MBD与隐式非线性耦合

• 充分发挥Marc的非线性分析能力

• ACSI工作流程

 

2.4.09 Adams/Durability

功能特色：

• 试验数据校对

• 颜色云图显示

• 强大的绘图能力

• 热点表

• 模态应力恢复

• 载荷时间历程DAC与RPCIII文件输入输出

• 与 FE 或 fatigue软件交换数据，进行疲劳寿命预测

 

2.4.10 与控制系统集成

通过从控制系统仿真软件中导入更为真实的控制系统模型，增加模型的置信度。

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506942238848839681?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

 

2.4.11 Adams/Controls

 

2.4.12 Adams/Controls FMI

• Functional Mock-UpInterface – 开放标准

• 提高不同软硬件的整合性能，达到进行半物理方针的目的

Software/Model/Hardware In the Loop Simulation of models from differentvendors

• FMI —MODELISARproject

• 通过FMI协议，Adams可以同其他仿真工具进行模型共享或联合仿真，比如Easy5、Simulink、SimulationX、AMESim等。

 

2.4.13 Adams/Vibration

功能特色：

• 借助同一模型实现频域下的系统级振动分析

• 定义频域相关的模型元素（振动激励信号、振动测试信号…）

• 执行频域相关的分析（正交模态、频响、模态能量分布）

• 可视化输出频域振动相关结果（系统模态、频响伯德图、模态能量分布表…)

• 结合DOE工具优化振动特性

 

2.4.14 Adams/Insight

• 传统的方案研究方法 – 只能在  A 方案和B 方案之间比较

• Adams/Insight – 基于样本空间及响应面进行DOE，可以更深入的理解系统性能

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506944775592456192?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

 

2.4.15 特色建模工具

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506944853993123840?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

Adams/Machinery目前包括：

• Gear模块

• Belt模块

• Chain模块

• Bearing模块

• Cable模块

• Motor模块

• Cam模块

2.5 MSC Easy5概述

Engineering Analysis System V5（工程分析系统）——控制系统和多学科动态系统建模与分析软件，MSC Easy5是一个针对控制系统和多学科复杂系统的：

• 建模

• 分析工具

• 各种CAE软件模型的集成仿真环境

• 基于数学环节符号、控制系统框图或工程系统的元件示意图来建模

• 控制系统分析能力强大

• 适合多学科复杂系统的建模和仿真

2.5.1 MSC Easy5 产品模块

2.5.2 通用分析与控制系统库

应用领域：

• 一般动态系统建模

• 积分器

• 控制器

• 数字/模拟系统

• 非线性系统分析

• 开关与逻辑

• 数学函数

• 信号发生器

 … 更多其它模型

2.5.3 MSC Easy5 专业库

MSC Easy5提供丰富的专业应用库来建立多学科系统模型。这些应用库包含超过500个预定义的模型部件，涵盖了广泛的学科领域，包括控制系统、一般动态系统建模、液压传动、气体动力学、气动传动、环境控制、多相流与空调系统分析等。

2.5.4 热与液压系统库

应用领域：

• 流体功率系统

• 系统热传特性分析（冷却/加热）

• 润滑系统

• 燃油系统与燃油喷射

• 静液传动

• 工程机械

• 飞行器控制面液压作动

• 起落架

……

2.5.5 液压库典型应用

03

应用案例/示例

3.1 过山车虚拟仿真

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506945229869068288?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

国外应用案例：

• Roush公司在开发Universal Studio哈利波特过山车过程中，运用Adams进行了仿真研究。

• Universal Orlando Resort游乐船设计项目中，运用Adams对船飞出去撞到水面的角度，速度和撞击力进行了模拟。

3.2 过山车人体舒适性研究

过山车座椅是过山车中将乘员与过山车联系在一起的重要部件，它直接关系到乘员乘坐舒适性和安全性。

为了提高过山车座椅的动态舒适性，对座椅进行动力学仿真分析十分必要。以过山车座椅为研究对象，用多体动力学软件Adams 仿真座椅动态运动过程。

过山车人体舒适性仿真分析和试验结果均有助于编写舒适性评价方法。

3.2.01 人体建模参考标准

备注：尺寸单位 （mm）

3.2.02 人体舒适性仿真模型

• 人体按照90%百分数坐姿尺寸建立几何（75kg）

• 考虑人体关节运动（脊椎采用三段模型、Adams-球副）

• 考虑人体关节刚度阻尼（Adams-六向力）

• 考虑人体与安全带、座椅的接触碰撞（Adams-接触力）

• 人体模型：16个部件，47个自由度。

3.2.03 输入工况

过山车单环工况：半径10m，总长82.83m。

3.2.04 过山车输入运动规律

• 过山车速度：Max_Velocity=56.55km/h

• 加速度：Max_Accelaration=24.674m/s^2

• 工况历时：T=6.547s

3.2.05 人体加速度

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• 人体垂向加速度：Max_A_Vertical=7.852g

• 人体侧向加速度：Max_A_Lateral=0.755g

3.2.06 人体与安全带、座椅受力

点击查看视频：https://video.zhihu.com/video/1506945739217932288?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D

• 臀部受力：Max_Force_Hip=163kg

• 安全带受力：Max_Force_Seat belt=132kg

• 后背受力：Max_Force_Backside=94kg

3.2.07 可参考评价标准——鞭打试验

参考文献《鞭打试验在欧洲、日本与中国》，娄磊，《交通标准化》，2010年9月下半月刊，总第229期

3.2.08 结果汇总

• 过山车速度：Max_Velocity=56.55km/h

• 加速度：Max_Accelaration=24.674m/s^2

• 工况历时：T=6.547s

• 人体垂向加速度：Max_A_Vertical=7.852g

• 人体侧向加速度：Max_A_Lateral=0.755g

• 臀部受力：Max_Force_Hip=163kg

• 安全带受力：Max_Force_Seat belt=132kg

• 后背受力：Max_Force_Backside=94kg

结论：人体、安全带、座椅全采用刚性建模，加速度和受力偏大，但采用Adams进行人体加速度和受力提取的方法是可行的。

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深圳市优飞迪科技有限公司成立于2010年，是一家专注于产品开发平台解决方案与工业软件开发的高科技企业，是ANSYS、MSC、COMSOL、Qt、国产CAD、国产尺寸链公差等工业软件的战略合作伙伴，拥有十多项行业领先的自主工业软件著作权。优飞迪科技倡导“极致用户体验驱动产品开发模式”变革，助力中国质造，赋能极致研发，专注于仿真咨询、工业软件开发、工业软件销售、系统集成等领域的产品开发平台解决方案，拥有一支硬核实力的技术服务专家团队，能为企业提供“全心U⁺端到端服务“。如今，华为、中兴、中国航天、格力、大族、华强、华星光电等知名企业与优飞迪保持着长期的紧密战略合作伙伴关系。