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[摘 要]虚拟样机技术是在CAX（如EAD、EAM、CAE等）、DFX（如DAF、DFM等）技术基础上的发展，它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术。本文就针对大型游乐设施的虚拟仿真分析方法进行简单分析，旨在为日后的大型游乐设施设计与优化提供简单借鉴。
[关键词]大型游乐设施；虚拟仿真分析；方法
中图分类号：X922.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0172-01
一、虚拟样机技术简介和AOAMS软件功能分析
利用虚拟样机技术可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。
（一）智能技术
CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量，但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述，实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、计算机辅助概念设计和CAD技术有机的集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算，通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的，满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。
（二）并行工程
并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理，它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素（质量，成本，工艺，结构，性能等），且要求实现计算机网络环境下的协同工作。
（三）仿真工程
对于虚拟样机系统来说，必须有一套能很有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型，产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据（如形位公差等）；工艺模型包括统计分析，计算机工艺仿真，制造数据库和制造规则库等；生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和特性的描述，虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。
（四）网络技术
在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时的决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。
二、旋转秋千虚拟样机模型的建立
（一）旋转秋千虚拟样机模型的建立原则
在ADAMS建模之前，必须对实际的旋转秋千样机模型进行简化。这样不但可以节省大量的建模时间。也可以保证ADAMS的仿真分析过程能够顺利进行。同时，由于ADAMS在进行运动学、动力学分析时，只考虑零件的质心和质量，对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没有多大的实际意义。当然零件形状描述得越准确，ADAMS自动求算的零件质量和质心的位置也就越精确。前面我们说过，建立复杂的模型并不是ADAMS的特长，如果模型的外形很复杂，又想得到比较准确的质量和质心，可以在其他的三维软件中建立好，然后通过ADAMS/Exchange导入ADAMS中，这些三维软件有pro/EUG等。这里建立模型遵循以下原则：首先，根据运动副对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。其次，在不影响视觉效果的前提下，模型的外形应尽量简化。最后，多个零件固接时，可以只用一个零件表示。以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误差越大。
（二）底盘、立柱和顶盘模型的建立
由于旋转秋千的实体中底盘、立柱和顶盘这几部分经简化后结构比较简单，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具进行建模。为方便起见，我们这样设置坐标系，x-Z平面代表水平地面，铅锤高度方向用y表示。旋转秋千实体中几个主要部分的模型尺寸：底盘：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om顶盘：R=5.0m，L=0.5m由于底盘、立柱和顶盘这三个主要部件经简化后为圆柱结构，因此可以采用ADMAS/View基本形体图库中的圆柱体（Cylinder）命令直接建立。为保证将来数据更为直观，将底盘的底面圆心坐标设置在（0.0，-0.5。0.0）点。将三部分模型外观建立好之后，应该对模型施加必要的约束，使模型按照实际的情况连接。按照旋转秋千的结构，需要做以下三处约束：1、底盘与地面。实际情况中底盘一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。这里我们在底盘与地面之间施加一个固定副（Fixed），将二者固定在一起，这样就限制它们之间所有的旋转自由度和移动自由度。2、立柱与谁盘：立柱主要起到支撑整个装置的作用，它与底盘也是相对固定的，因此也采用固定副连接。3、顶盘与立柱。顶盘是整个装置的旋转部分，它是在电机的驱动下以立柱为回转轴进行回转的，因此它与立柱之间要设置铰接副。铰接副限制了2个旋转自由度和3个移动自由度，这样保证了顶盘只能在x-Z平面内作回转运动。
（三）钢丝绳索模型的建立
1、钢丝绳索的建模思想
钢丝绳索的建模是旋转秋千建模的主要难点之一。钢丝绳索可以承受较大的拉力，抗弯能力很弱，具有较大的柔性，在工作过程中，钢丝绳索一直在不停的运动，产生较大的变形。为了能够反映绳索的动态响应和柔性，可以将钢丝绳索用很多相互连接的圆柱单元来表示。单元长度取决于运算规模的限制和相应的动态频率。通过合理设计单元之间的连接关系，等效仿真钢丝绳索。在本课题的分析中，在顶盘圆周上均布了12根绳索。根据装置的整体尺寸和立柱的高度，每根绳索为9m。因此我们将圆柱单元的长度取为0.3m，半径取为0，OO5m，总共设置了360个圆柱单元。经过比较，圆柱单元采用球铰模型进行连接。图 1-1中这种球铰连接模型约束了x-Y-z三个方向的移动自由度，使两个单元在连接处没有相对位移。由此可知，这种连接模型忽略了钢丝绳索受力后的拉伸变形；另外，它具有三个转动自由度，连接的两个单元可以在X、Y、Z方向產生自由的相对旋转，以实现绳索较大柔性弯曲和扭转变形的效果
2、宏命令简介
宏，简单来说，就是用户自己生成的一个命令。用户可以按照ADAMS八1ew的命令格式来编写宏，AADMS/View像处理其他命令一样处理宏，您可以在命令窗口中执行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用户自己的用户化菜单、对话窗和按钮中调用宏。在宏中用户可以使用参数。这有助于用户在每次调用宏时加上数据，宏在执行时自动进行替换。三、自定义钢丝绳索宏命令由于钢丝绳索模型中总共设置了360个圆柱单元。为了便于建立模型和修改模型，我们采用自定义宏命令的方法来建立模型。该模型的钢丝绳索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根据要求对此程序进行简单的修改，就可以应用在其他种类的钢丝绳索模型的建立。
三、结语
综上所述，运用虚拟样机技术，可以大大简化机械系统的设计分析过程，大幅度缩短实北京化工大学硕士学位论文验研究周期，大量减少研究开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品，并且有足够的分析精度，对于大型游乐设施的设计与优化具有明显的促进作用。
参考文献
[1]朱海荣，陈钢，丁克勤，张有忱. 基于虚拟样机技术的游乐设施安全分析方法探讨[J]. 中国安全科学学报，2004，03：15-18+1.
[2]罗俊斌. 滑行车类游乐设施的动态仿真分析[D].华南理工大学，2012.
[关键词]大型游乐设施；虚拟仿真分析；方法
中图分类号：X922.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0172-01
一、虚拟样机技术简介和AOAMS软件功能分析
利用虚拟样机技术可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。
（一）智能技术
CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量，但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述，实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、计算机辅助概念设计和CAD技术有机的集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算，通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的，满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。
（二）并行工程
并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理，它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素（质量，成本，工艺，结构，性能等），且要求实现计算机网络环境下的协同工作。
（三）仿真工程
对于虚拟样机系统来说，必须有一套能很有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型，产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据（如形位公差等）；工艺模型包括统计分析，计算机工艺仿真，制造数据库和制造规则库等；生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和特性的描述，虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。
（四）网络技术
在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时的决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。
二、旋转秋千虚拟样机模型的建立
（一）旋转秋千虚拟样机模型的建立原则
在ADAMS建模之前，必须对实际的旋转秋千样机模型进行简化。这样不但可以节省大量的建模时间。也可以保证ADAMS的仿真分析过程能够顺利进行。同时，由于ADAMS在进行运动学、动力学分析时，只考虑零件的质心和质量，对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没有多大的实际意义。当然零件形状描述得越准确，ADAMS自动求算的零件质量和质心的位置也就越精确。前面我们说过，建立复杂的模型并不是ADAMS的特长，如果模型的外形很复杂，又想得到比较准确的质量和质心，可以在其他的三维软件中建立好，然后通过ADAMS/Exchange导入ADAMS中，这些三维软件有pro/EUG等。这里建立模型遵循以下原则：首先，根据运动副对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。其次，在不影响视觉效果的前提下，模型的外形应尽量简化。最后，多个零件固接时，可以只用一个零件表示。以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误差越大。
（二）底盘、立柱和顶盘模型的建立
由于旋转秋千的实体中底盘、立柱和顶盘这几部分经简化后结构比较简单，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具进行建模。为方便起见，我们这样设置坐标系，x-Z平面代表水平地面，铅锤高度方向用y表示。旋转秋千实体中几个主要部分的模型尺寸：底盘：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om顶盘：R=5.0m，L=0.5m由于底盘、立柱和顶盘这三个主要部件经简化后为圆柱结构，因此可以采用ADMAS/View基本形体图库中的圆柱体（Cylinder）命令直接建立。为保证将来数据更为直观，将底盘的底面圆心坐标设置在（0.0，-0.5。0.0）点。将三部分模型外观建立好之后，应该对模型施加必要的约束，使模型按照实际的情况连接。按照旋转秋千的结构，需要做以下三处约束：1、底盘与地面。实际情况中底盘一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。这里我们在底盘与地面之间施加一个固定副（Fixed），将二者固定在一起，这样就限制它们之间所有的旋转自由度和移动自由度。2、立柱与谁盘：立柱主要起到支撑整个装置的作用，它与底盘也是相对固定的，因此也采用固定副连接。3、顶盘与立柱。顶盘是整个装置的旋转部分，它是在电机的驱动下以立柱为回转轴进行回转的，因此它与立柱之间要设置铰接副。铰接副限制了2个旋转自由度和3个移动自由度，这样保证了顶盘只能在x-Z平面内作回转运动。
（三）钢丝绳索模型的建立
1、钢丝绳索的建模思想
钢丝绳索的建模是旋转秋千建模的主要难点之一。钢丝绳索可以承受较大的拉力，抗弯能力很弱，具有较大的柔性，在工作过程中，钢丝绳索一直在不停的运动，产生较大的变形。为了能够反映绳索的动态响应和柔性，可以将钢丝绳索用很多相互连接的圆柱单元来表示。单元长度取决于运算规模的限制和相应的动态频率。通过合理设计单元之间的连接关系，等效仿真钢丝绳索。在本课题的分析中，在顶盘圆周上均布了12根绳索。根据装置的整体尺寸和立柱的高度，每根绳索为9m。因此我们将圆柱单元的长度取为0.3m，半径取为0，OO5m，总共设置了360个圆柱单元。经过比较，圆柱单元采用球铰模型进行连接。图 1-1中这种球铰连接模型约束了x-Y-z三个方向的移动自由度，使两个单元在连接处没有相对位移。由此可知，这种连接模型忽略了钢丝绳索受力后的拉伸变形；另外，它具有三个转动自由度，连接的两个单元可以在X、Y、Z方向產生自由的相对旋转，以实现绳索较大柔性弯曲和扭转变形的效果
2、宏命令简介
宏，简单来说，就是用户自己生成的一个命令。用户可以按照ADAMS八1ew的命令格式来编写宏，AADMS/View像处理其他命令一样处理宏，您可以在命令窗口中执行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用户自己的用户化菜单、对话窗和按钮中调用宏。在宏中用户可以使用参数。这有助于用户在每次调用宏时加上数据，宏在执行时自动进行替换。三、自定义钢丝绳索宏命令由于钢丝绳索模型中总共设置了360个圆柱单元。为了便于建立模型和修改模型，我们采用自定义宏命令的方法来建立模型。该模型的钢丝绳索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根据要求对此程序进行简单的修改，就可以应用在其他种类的钢丝绳索模型的建立。
三、结语
综上所述，运用虚拟样机技术，可以大大简化机械系统的设计分析过程，大幅度缩短实北京化工大学硕士学位论文验研究周期，大量减少研究开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品，并且有足够的分析精度，对于大型游乐设施的设计与优化具有明显的促进作用。
参考文献
[1]朱海荣，陈钢，丁克勤，张有忱. 基于虚拟样机技术的游乐设施安全分析方法探讨[J]. 中国安全科学学报，2004，03：15-18+1.
[2]罗俊斌. 滑行车类游乐设施的动态仿真分析[D].华南理工大学，2012.