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基于ADAMS的摩天轮运动仿真分析

范文

蒋锐何邦贵

摘 ?要：以摩天轮为例，运用最广泛使用的机械系统仿真软件ADAMS建立摩天轮的仿真简化模型。利用ADAMS动态分析功能对摩天轮进行运动仿真分析，分别对发动机在各个轴线上的扭矩变化、舱体在各轴向的速度变化这两方面进行了分析。研究得出，模型的构建合理且仿真的结果与实际的情况相一致，为后续设计和优化摩天轮奠定了理论基础。

关键词：摩天轮;运动分析;ADAMS;仿真

中图分类号： TP391.9 ? ?文献标识码： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.029

本文著录格式：蒋锐，何邦贵. 基于ADAMS的摩天轮运动仿真分析[J]. 软件，2019，40（6）：130132

【Abstract】： Taking the Ferris wheel as an example， the simulation model of the Ferris wheel is built using the most widely used mechanical system simulation software ADAMS. The ADAMS dynamic analysis function is used to analyze the motion simulation of the Ferris wheel. The torque variation of the engine on each axis and the speed change of the cabin in each axial direction are analyzed. The research shows that the model is constructed reasonably and the simulation results are consistent with the actual situation， which lays a theoretical foundation for the subsequent design and optimization of the Ferris wheel.

【Key words】： Ferris wheel; Dynamic analysis; ADAMS; Simulation

0 ?引言

随着摩天轮越来越受欢迎，其安全性受到越来越多的关注。为了加强摩天轮的安全性，认识摩天轮的结构特征非常重要[1]。作为一种大型娱乐设施，摩天轮的安全问题是设计和制造过程中需要事先考虑的事项。由于其结构和负载形式的复杂性，不便通过解析的方法来计算其机械性能[2]。且跨度相对于一般高耸结构更大，结构的安全性能要求更高[3]。利用计算机仿真软件进行运动仿真分析是机构设计的重要组成部分，其目的是优化产品结构，满足现代设计需求[4-5]。通过机构运动仿真，可以相对方便的分析和验证设计是否合理和优化。因此，基于现代设计理论，分析了各轴上摩天轮发动机的扭矩变化和舱体在各轴向的速度变化，为后续设计和优化摩天轮奠定了理论基础。

1 ?ADAMS软件简介

ADAMS是一种虚拟样机软件集成了建模、求解、可视化技术[6]，可以运用两种不同的方法建立实验仿真模拟过程所需的模型：一种是直接在ADAMS环境中进行实体建模，然后进行仿真;另一种是利用三维的建模软件（如Pro/E、SolidWorks等）将建立好的模型直接导入ADAMS软件，然后添加相关的约束副，驱动力和力矩，再进行仿真。

2 ?模型的简化

本研究来源于某游乐设备公司，摩天轮主要由轮盘结构、驱动系统和支承结构组成[7]。由于实际结构比较复杂，显然没有必要根据摩天轮的实际尺寸数据和实际质量使用ADAMS进行建模和仿真研究。因此，简化摩天轮是必要的步骤，轮转的本体是需要着重考虑的。如图1所示，本文设计了六个部件：底座，立柱（简化为一个），轮辐（也简化为一个），连舱杆，舱体和发动机。

底座上的四个锁死约束固定在地面上。立柱和底座具有锁死约束，其他三个约束是铰接连接。从设计部件的角度来看，省略了实际的轮架。轮架和舱体之间的连接也简化为一连舱杆。实际的发动机也不可能在空中，为方便模型的建立，将发动机设置在轮幅与立柱连接的位置。

3 ?仿真模型的建立

摩天轮物理模型的创建是运动仿真分析的前提和基础。仿真数据正确与否直接受模型建立的准确性与合理性影响[8]。因此，在模拟仿真前建立更为精确的模型是运动仿真分析中不可或缺的一步。

对各个部件设计尺寸如下：（为了方便，各个部件的密度全设置为：默认密度）

底座：长=40 cm，高=3 cm，深=40 cm;立柱：长=40 cm，宽=4 cm，，深=2 cm;

轮幅：长=15 cm，宽=3 cm，深=2 cm;连舱杆：长=8 cm，宽=1 cm，深=2 cm;

舱体：长=5 cm，宽=5 cm，深=5 cm;

如图2所示，底座上的四个锁死约束固定在地面上。立柱与底座有一个锁死约束，其余三个约束立柱与轮幅、轮幅与连舱杆，连舱杆与舱体连接均为转动副。最后在立柱與轮幅转动副施加转动驱动，使得轮幅顺时针进行转动。

4 ?运动仿真及特性分析

本文运用ADAMS对摩天轮进行了运动分析，以确定其在不同的工况下运动情况。因此在ADAMS中使用提供的Default模式仿真进行仿真，可以观察到机构的运动状况。进入后处理模块载入动画。在后处理模块中通过选择相应的选项，绘制出相应的结果曲线。

4.1 ?发动机在各轴向的扭矩曲线

4.3 ?结果分析

根据发动机各轴的扭矩曲线图可知，在模拟仿真的试验中电动机的扭矩为x、y轴是恒定不变的，然而在z軸上从正方向逐渐变为负方向。显然这是由于轮幅的旋转，带动舱体运动产生的。可以预测，如果无限循环继续，则z轴上的发动机的扭矩图是周期性的。这便提醒了设计者，在实际摩天轮横轴的设计过程中，只需考虑在计算其寿命时在固定载荷下可以转动的最多圈数。

根据舱体各轴的速度图可知，在摩天轮运行期间，舱体的左右两侧（即在x轴上）呈周期性地摆动。在前后方向（即在y轴上），速度最开始时减速然后加速，并且摩天轮转一圈舱体y轴速度的方向改变一次。乘坐的人都有经验，舱体确实会左右摇晃，让人稍感有点头晕。因此，患有心律失常或晕车的人可能乘坐摩天轮会出现呕吐。

5 ?结论

本文在ADAMS中建立摩天轮简化的模型并进行了仿真和分析，可以直观地观察到机构运动的规律和特性，得到各轴线上电机的扭矩变化曲线和舱体速度变化曲线，分析得出，模型的构建合理且仿真的结果与实际的情况相一致，为后续设计和优化摩天轮奠定了理论基础，而且利用ADAMS 软件可以获得任意点的速度和受力特性等。最终通过对这一模型的研究和分析方法，可以对其他复杂机械的系统进行运动仿真分析提供参考。

参考文献

[1] 王伟鑫. 摩天轮结构及其应用研究[J]. 中国设备工程， 2017（13）： 154-155.

[2] 何小兵，边新孝，姚莉莉等. 摩天轮有限元结构分析[J]. 机械， 2007， 34（4）： 19-20.

[3] 冯智颖. 柔性摩天轮结构有限元分析[J]. 中国水运， 2018， 18（12）： 94-95.

[4] 李增刚. ADAMS入门详解与实例[M]. 北京国防工业出版社， 2010.

[5] 张凌云，张鹏，李东辉，等. “中华眼”摩天轮整体结构设计与模拟分析[J]. 钢结构， 2017.

[6] 陈峰华. ADAMS 2012虚拟样机技术从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社， 2013： 7.

[7] 王小盾，石永久，王元清. 摩天轮结构及其工程应用研究[J]. 建筑科学与工程学报， 2005， 22（3）： 30-35

[8] 周会成，任正军. 六轴机器人设计及动力学分析[J]. 机床与液压， 2014， 42（9）： 1-5.

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