过山车的虚拟样机仿真模拟

张鹏

摘要：随着过山车类产品的普及，通过传统方法摸索过山车的关键技术已经难以满足需求，基于adams软件的虚拟样机技术，可以大量节约研究成本，缩短研究周期，同时又能提高设备运行的安全性，这对于研发我国自主产品，打破国外产品对市场的垄断，由着非常重要的意义。

关键词：过山车类产品；adams；虚拟样机；仿真模拟

随着大型游乐园产业在国内的蓬勃发展，极具刺激性、可玩性的过山车类产品，越来越受到广大青年游客的欢迎，如何在更高速、更刺激的产品运行情况下，仍能保证高度的安全性，是过山车研发工作的关键所在。

相比较国外成熟的过山车开发经验，我国国内的过山车设计起步较晚，但是随着动力学仿真技术的发展和成熟，使得基于虚拟样机技术的模拟仿真成为可能，给了我们赶超国外先进产品的必要机会，因为虚拟样机技术不仅可以大量节约研究成本，缩短研究周期，同时又能提高设备运行的安全性，所以对过山车的虚拟样机仿真技术的研究，势在必行。

下面通过某一公司设计的过山车为例，介绍了如何建立相应虚拟样机，并开展后续研究的方法。

已知条件：该过山车产品从上客站台驶出后，经出发区稳定运行参数，驶入加速区，在加速区内，过山车受到持续的推力作用，提供车体以足够的动能，使其冲上高坡区，然后在后面的滑行区完成经典的过山车高速俯冲、回转过程，经牵引区控速后，进入下客区，完成一次工作循环。

需解决问题：1、过山车经加速区加速后，需要能冲上其后的高坡区，并且能依靠惯性顺利返回至牵引区，需求现有推力数值能否满足需求。2、求得过山车在高速滑行区域内，车体的速度、加速度，关键轮系处的支反力。

1、建立样机模型

1.1、轨道建模

我们首先建立需求的轨道CAD模型，然后通过ansys软件分析模型，取得轨道的点位坐标，代入adams样条曲线中，设为固定部件，即可获取轨道模型。

后续的分析，只需考虑车体与轨道的动力学关系即可，立柱、轨枕板等对我们的分析帮助不大，可以全部忽略，此过程中需要我们注意，从CAD模型中获取的点坐标一定要足够密集，才能保证后续adams中样条曲线光滑、贴近真实模型，不然会影响到我们分析结果的准确性。

1.2、车体建模

我们采集实际车体数据，确定模型长宽数值及轮系距离。

根据采集数值，第一步建立四个球体，模拟轮系，在球体和轨道曲线之间建立点线约束，第二步建立两个连杆，分别连接左侧轮系和右侧轮系，第三步建立中间连杆，连接左右连杆，这一步尤为重要，错误的约束关系将直接影响后续运行，会导致模型卡死在拐弯处，或者轨道曲线不流畅处，在此，我们采用一端建立球副，一端建立滑动副的方式，第四步建立车体模型，与中间连杆固定约束，并根据实际需求调整重量。

因为车体经过出发区，以恒定速度进入加速区，所以我们将车体移动到加速区起始点处，添加车体初速度，以减少模拟过程。

2、添加载荷

分析车体在运行过程中，主要承受四个外力左右，第一个是重力，第二个是加速区推力，第三个是轮系与轨道间的摩擦力，第四个是外部风阻力。

第一个重力可由系统直接添加。

第二个首先根据推力产生加速度和加速区距离长度的关系，计算出推力作用时间是3.5s，由此建立推力的IF函数：IF(time-3.6:F,F,0)，并加载在车体上。

第三个摩擦力可用PCTV函数模拟，取摩擦系数等于0.15，则摩擦力PCTV函数：0.015*(abs(ptcv(.PTCV,MARKER))+abs(ptcv(.PTCV,MARKER)))，其中点线副、marker点名称根据四个球体实际情况分别填写。

第四个风阻力跟速度和迎风面面积有关，由于该项目为室内项目，暂不考虑外部风速影响，根据空气阻力公式F=0.5*C*ρ*S*V2，计算出迎风面面积后，建立风阻力函数0.5*0.1*1.2*3*VM(MARKER)*VM(MARKER)，marker点名称根据车体实际情况分别填写

至此，完成虚拟样机模型准备工作。

3、求解分析

设置终止时间28秒，分析步数100，点击分析按钮，进行算例分析。

待计算完毕，验证车体是否顺利返回牵引区，证明设定推力满足功能要求，接下来进行详细的运动数值分析。

取车体上任一marker点，测量三向加速度及合加速度值，分析结果得出，过山车X向最大加速度为20.1mm/s2，Y向最大加速度为17.1mm/s2，Z向最大加速度为15.5mm/s2，最大合加速度为20.5mm/s2，经整合对比，以上数值均满足GB8408《大型游乐设施安全规范》对于加速度的相关要求（本文为示范介绍，按照GB8408要求，加速度采集点应该为座椅上方600mm处，为满足此要求，应加设相应位置marker点，以采集准确数据）。

右后轮支反力三向分力及合力图

取右后轮的点线副约束测量支反力的三向分力及合力图（仅以一轮系为例，其余同理，比较后取结果数值较大处为关键轮系进行后续计算）。

支反力的获取，可以为后续车体强度的校核创造条件，因为不属于动力学范畴，限于篇幅，本文不再赘述。

至此，解决所有预设问题，完成完整仿真工作。

结语：

本文介绍了采用adams虚拟样机技术解决具体案例的过程，展现了其在过山车研究领域的实用价值，值得我们深入研究和推广。