游乐设施结构原理.pptx

游乐设施结构原理,中山市金马科技娱乐设备股份有限公司 陈涛,一、游乐设施的定义及游乐特点,定义：在特定的区域内运行，承载游客的游乐载体 游乐设施的特点：a）游客参与体验式 b）社会对事故发生的零容忍 c）游客对体验的追求是更高、更快 d）设备的运动越来越复杂 e）单件小批量生产 f）持续创新，成为游乐行业的永恒的主题 g）标准化难以为继,二、游乐设施的主要组成部分及设计人员的基本素质,①.主要组成部分 钢结构（木结构）+机械传动（机械结构）+控制系统+外观 ②.设计人员的知识结构 力学、机械设计、材料学、自动控制、工业设计等 以及一些产品要求的其他的知识体系： 如：水上游乐设备对水力学的要求等,三、游乐设施设计,1. 创新的路径——自由度的组合与结构设计 a）处在三维空间的刚体的运动形的可能性，称自由度。所谓六自由度，即沿三个坐标（X、Y、Z）的移动和绕三个坐标轴的旋转运动。,,,所有的游乐设施的本质就是一种或结合几种运动形式会得到不同的体验（高度、速度、加速度的变化)。结合的运动形式越多，趣味性就越强。产品创新的方向就是沿着运动的不同组合来发展的 举例: 海盗船→大摆锤→改进型大摆锤（效果图示意） 纯平面旋转飞椅→一边升降一边旋转→边升降、旋转的同时，金字架倾斜→在上述基础上再增加底座旋转 人体的运动轨道越来越复杂，加速度越来越富有变化！,,,,,,所以，从自由度的角度，某种程度上可以说，所有的乘骑类设备都是基本雷同的。但各种运动形式的巧妙组合，则设计并生成了结构形式各异的多种受人们欢迎的产品。 增强设备项目的刺激性，吸引并满足那些跃跃欲试的人群，使得游乐设备必然向高空、高速或更复杂的运动轨迹组合的方向发展,2. 体验新感觉——G力的概念,游乐体验主要有三种 ①感官方面，例如高度、速度、灯光、音响等造成的体验 ②情感方面，例沉浸式的娱乐项目：4D影院，Dark Rides ③生理方面，G力变化的体验 在游乐行业里，习惯上用符号“G”作为计算游乐过程人体受力与自身重力的倍率。人的重力是相当不变的，其倍率是“1G”。人体自由落体运动时为“零G力”，游乐设施的设计一般在 -1G-4G之间。当加速度为负值（-G）时，则感到犹如腾云驾雾飘飘然，而当加速度为正值（+G）时，则感到好像泰山压顶身体缩成团不能自拔。大部分游乐设施都有变化“G力”的体验。 所有游乐设施的设计都是基于上述三种体验的一种或他们的组合体验。,3。复合运动中科氏加速度,,,4.安全实质问题---加速度X作用时间,1）。人体坐标系,,近40年来，美国进行了多种运动的G力试验。 实际上，从物理角度，人的身体能够适应的，延续数秒时间的力，不能超过3Gs。从生理的角度，人承受G力的变动范围，决定于血液循环系统，心脏必须过度工作，才能提供足够的含有充足氧的血液给大脑，以迎击3Gs或4Gs的力。当心脏向大脑输送血液的血柱不能克服所承受的向下的力时，就将失去知觉，眼睛感觉失去血压，眼后围绕视网膜动脉的微血管首先有反应。报告表明，在高G力负载下，开始出现管道视界的现象，管道视界及随后出现的头昏，显然是警示将会失去知觉,,近年来，美国游乐园业也一直进行这方面的研究工作，并以美国试验和材料协会的名义，发布了国家和国际G力标准。在此工作中，也包括来自欧洲、澳大利亚和俄罗斯的专业组织的推荐资料，也包括该行业咨询和科学工作者的专业知识。该标准包括，以负载耐受能力为基础的G力限制值。例如，如果承受一种G力，持续的时间不足0.2秒，这样，或许人的身体在这么短的时间内，不能反应出加速度的存在，可以不加考虑。对于产生的加速度超过允许的时间长度，G力标准有以下几种范围：,,前后方向（X轴） 当加速度使身体向后移动挤向座椅靠背，6Gs力作用1秒的时间，可以承受，但必须是随后的G力总值的负载逐渐变小。2秒钟以后，降到4Gs的程度，5秒钟后3Gs，12秒钟后达2Gs。在减加速度的状况下，人的身体向前移动。当快速停止运动时，在停止阶段内，1.5Gs的力是可以接受的。根据防护装置的情况，在2—5秒的短时间内，可施加的G力值可提高至2或3Gs。,,侧向（Y轴） 对任何侧向，2Gs的力是可以接受的。对于给出换向加速的标准比较麻烦，这是因为，当身体快速地从左至右的运动时，要抵抗的是某一单方向的加速度。在这种状态下，要降低此力，取决于G力的总值以及换向的速度。,,垂直方向（Z轴） 向下方向的正G力，允许6Gs持续1秒；4Gs持续2秒；3Gs持续5秒；2Gs可持续到12秒。这与在X轴允许的加速度产生的负载情况非常相似。将人的身体向上移动，允许的负G力比较小。在移动起始时，标准允许1.75Gs；在5秒后，不能超过1.5Gs；再4秒后，应限制在不大于1G 。数值的大小取决于防护系统的可靠性，如果没有可靠的防护装置，很显然要避免负G力。,,确切的标准仍在继续探讨中，但只要已证明的技术是存在的，目前的标准已经是一个初步可接受的范本。创造力是永久不停止的，如果有经过科学的试验给出的，被专家们认可，是经得住检验和合理的，新界限值可考虑超过现在标准值。,,任何一项设备是否会对乘客产生伤害，不是由运行速度的快慢决定（如飞机、高速列车速度都相当快），而是由加速度大小及其持续作用时间的长短决定，在某种程度上持续时间更为重要。 持续时间小于等于0.1秒的加速度为冲击加速度，持续时间大于0.1秒的加速度为稳态加速度。,,2）。GB8408规定的加速度的允许值,图2 与持续时间有关的允许加速度 ay （g） 注： 1）1为频率10Hz以上的区域 2）Δt为加速度持续时间（s） 3）大于４ｓ的区域尚未证实，需进一步测试,,图3 与持续时间有关的允许加速度az (g) 注： １）大于４ｓ的区域尚未证实，需进一步测试 ２）s为加速度持续时间（s）,,图4 加速度ay和az的组合 　　　注： 1为允许的区域,,图5 加速度ay和az组合允许值 (g) 注： 三条折线表示：当az、ay同时存在时，在持续时间为0.05s、0.10s、≥0.2０s时，最大允许的加速度az、ay值。 如：加速度持续时间为0.05s，当az值为 1.8g,时，最大允许的ay值为 2.7g,。,,3）。加速度限制的生理解释 每个人承受G力的变动范围，取决于其心脏的工作能力（泵的额定压力和最高压力）。正常情况下，心脏供血液经大脑、眼晴等，在受G力的情况下，心脏要过度工作，才能提供足够的含有充足氧的血液给大脑。当心脏向大脑输送血液的血柱不能克服所承受的向下的力时，将会失去知觉，眼睛感觉失去血压，出现头昏甚至失去知觉。 心脏类似向身体供血液的泵，左右加速度有限制就不难理解肝脏有类似过滤器的作用，人体左右加速度过大，泵就会吸空。,5。设计的关键---载荷组合与极限工况分析,GB8408-2008对载荷组合做出下规定： ①零件强度、刚度计算时应考虑下列载荷组合 P=ΣK（GK+Q1）+Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7 K—冲击系数 GK—永久载荷 Q1—活载荷 Q2—游客对乘人结构的支反力（各种工况下的最大值） Q3—驱动力或制动力 Q4—摩擦力 Q5—惯性力 Q6—碰撞力 Q7—风载荷 Q8—雪载荷,,②计算风速度大于15m/s游乐设施结构稳定性与抗倾覆时，考虑的载荷组合： P=ΣGK+ Q7 结构不产生永久变形即可（P产生的应力在σs以内） ③游乐设施积雪时，计算其结构的稳定性，考虑的载荷组合： P=ΣGK+ Q8 结构不产生永久变形即可（P产生的应力在σs以内） 严格来讲还须适当考虑风载！！！,,③地震载荷组合 P=ΣGK+T T—地震载荷，计算方法参照GB50011-2001建筑抗震设计规范。 P产生的应力在σs范围内。,,分析计算通常存在的问题： a）对运动学分析不够透彻，Q5（惯性力）往往考虑不全 b）缺乏对极限工况的分析，大多数情况下，最大偏载往往是最危险的情况。 c）特殊情况下没有考虑温度应力和装配应力,6。设计计算,6．1 游乐设施的设计应根据具体结构作相应计算：应力计算、刚度计算、疲劳强度计算、稳定性计算、抗倾覆计算、防侧滑计算等。 6．2 应力计算 零部件及焊缝应进行应力计算，其承受的最大应力与材料极限应力的比值为安全系数，得出的安全系数n , 必须满足表2的要求。 σb —— 材料的极限应力 σmax —— 设计计算最大应力 ［n］—— 许用安全系数（见表2）,表2 许用安全系数［n］,,6．3 疲劳强度计算 6．3．1 无限寿命计算 当循环载荷的最大计算应力小于材料的疲劳极限时，零部件为无限寿命，计算的疲劳安全系数。应满足表3的要求。 表3 许用疲劳强度安全系数,,6．3．2 有限寿命计算 当循环载荷的最大计算应力大于材料的疲劳极限时，用疲劳载荷谱计算零部件的使用寿命。 6．4 刚度计算 对游乐设施有变形要求的某些构件，应进行刚度计算。 6．5 稳定性计算 为防止结构失稳，对细长、薄壁结构件需要进行整体和局部稳定性计算。,,6．6 防止倾覆计算 游乐设施运行中，有可能发生整体倾覆时应进行该计算。 —— 安全系数，见表4 —— 稳定力矩值 —— 倾覆力矩值 6．7 防止侧滑计算 游乐设施运行中，有可能发生整体侧向滑移时应进行该计算。 —— 安全系数（见表4） μ—— 摩擦系数（见表5） N —— 垂直载荷分量 H —— 水平载荷分量,表4 防止倾覆及侧滑的安全系数γ,表5 摩擦系数,,如果靠静摩擦不能保持稳定，应用地脚螺栓将结构与地面进行连接。其防侧滑计算也要计算地脚螺栓的作用，摩擦系数只取表5中的70％。 Z —— 地脚螺栓的水平承载能力； 6．8 重要的轴、销轴及焊缝除做应力计算外，必要时做疲劳强度验算，两者都应满足给定的安全系数。对于难以拆卸的重要轴及销轴，应按无限寿命设计。,四。游乐设施的设计过程,,过山车的设计过程 1.首先明确设计什么玩法的过山车（悬挂、飞行、旋转……） 2.车体设计（明确承受人数及三个方向的加速度及最小转弯半径等） 3.路轨方案初步设计（layout） a）定义设计基准 b）平面单线图 c）生成空间曲线 d）初定横向倾角 e）初步动力学分析 f）调正曲线 g）根据调正的曲线不断进行动力学运动分析→调正曲线→…… 直至满意结果 f）设计轨道及立柱、基础条件图 4.控制系统的设计 5.其他文件的设计,五。危害分析与风险评价,,