一种八自由度设备仿真方法、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及设备仿真技术领域，尤其涉及的是一种八自由度设备仿真方法、计算机设备及存储介质。

背景技术

随着社会经济的发展，游乐场受到越来越多的人欢迎。游乐场一般有较多的游乐设备，为了安全，一般需要对游乐设备的真实工况进行仿真。但是，现有仿真计算方法过于简化和简单，使得游乐设备的驱动曲线过于理想和平滑，难以得出精确结果，无法保证乘客安全。

特别是对于八自由度的游乐设备来说，八自由度间存在高度非线性关系，无法穷尽机构空间运动姿态，难以考虑动力学响应,以及难以捕捉极限运动状态，因而经验公式或简化理论计算得出的结果和实际相差巨大，不能精准计算机构最大应力应变状态，得不到最为恶劣的刚度、强度、稳定性、疲劳等安全性能数据，导致无法保证用户安全。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种八自由度设备仿真方法、计算机设备及存储介质，以解决现有仿真计算方法过于简化和简单，使得游乐设备的驱动曲线过于理想和平滑，难以得出精确结果，无法保证用户安全的问题。

本发明的技术方案如下：

一种八自由度设备仿真方法，包括：

构建设备的三维模型；其中，所述设备包括八个驱动，每一所述驱动对应一自由度；

获取所述三维模型并输入至多体动力学软件进行仿真，以得到多体动力学模型；

获取所述驱动对应的运动曲线，并将所述运动曲线输入至所述多体动力学模型进行运行计算并得到结果数据；其中，所述结果数据为所述设备的驱动数据；

根据所述结果数据进行有限元仿真计算并得到所述设备的结构应力应变状态，并根据所述结构应力应变状态校核所述设备的安全性能。

本发明的进一步设置，所述获取所述三维模型并输入至多体动力学软件进行仿真，以得到多体动力学模型的步骤包括：

获取所述三维模型的质量信息，并根据所述质量信息建立多体动力学模型；

其中，所述质量信息至少包括材料类型、质量分布、质量大小与转动惯量的信息。

本发明的进一步设置，所述设备包括载台、底盘、回转机构与六个驱动设备；其中，回转机构与所述载台构成一个转动驱动，所述底盘与地面构成一个直线运动驱动，所述驱动设备构成六个直线运动驱动；其中，每一所述转动驱动对应一个自由度，每一所述直线运动驱动对应一自由度。

本发明的进一步设置，所述获取所述驱动对应的运动曲线，并将所述运动曲线输入至所述多体动力学模型进行运行计算以并得到结果数据的步骤还包括：

根据所述驱动数据的最大输出数据校核所述设备的选型是否满足要求，若不满足，则更换所述驱动设备，或者对所述三维模型与所述驱动曲线进行调整。

本发明的进一步设置，所述驱动设备为电动缸，所述电动缸包括缸体与缸杆；所述电动缸之间通过上底座、上十字块、下底座与下十字块连接，且所述电动缸与上底座、上十字块、下底座、下十字块构成流自由度系统；其中，

所述上底座与所述上十字块建立6个转动副，所述缸杆与所述上十字块建立6个转动副，所述缸杆与所述缸体建立6个圆柱副，所述缸体与所述下十字块建立6个转动副，所述下十字块与所述下底座建立6个转动副，所述下底座与所述底盘建立3个固定副，所述底盘与地面建立1个移动副，所述上底座与所述回转机构建立3个固定副，所述回转机构与所述载台建立1个转动副。

本发明的进一步设置，所述驱动曲线包括驱动设备速度驱动曲线、回转机构加速度驱动曲线、底盘行走加速度驱动曲线；

其中，所述驱动设备速度曲线的表达式为：

CUBSPL(time,0,SPLINE_1,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_2,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_3,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_4,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_5,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_6,0)；

所述回转机构加速度驱动曲线的表达式为：

if(time-16.806:0,0,if(time-18.806:75d,0,if(time-19.206:0,0,if(time-21.206:-75d,0,0))))；

所述底盘行走加速度驱动曲线的表达式为：

if(time-21.206:0,0,if(time-23.006:1500,0,if(time-23.206:0,0,if(time-25.066:-1500,0,0))))。

本发明的进一步设置，所述获取所述驱动对应的运动曲线的步骤包括：

获取所述载台的运动参数、所述回转机构的运动参数与所述底盘的运动参数，将所述回转机构的运动参数与所述底盘的运动参数设置为0，并根据所述载台的运动参数得到所述驱动设备速度驱动曲线。

本发明的进一步设置，所述获取所述驱动对应的运动曲线的步骤还包括：

将所述驱动设备速度驱动曲线保存为文本格式，并以样条曲线的形式输入至所述多体力学软件中。

基于同样的发明创造，本发明还提供了一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。

基于同样的发明创造，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。

本发明所提供的一种八自由度设备仿真方法、计算机设备及存储介质，所述八自由度设备仿真方法包括：构建设备的三维模型；其中，所述设备包括八个驱动，每一所述驱动对应一自由度；获取所述三维模型并输入至多体动力学软件进行仿真，以得到多体动力学模型；获取所述驱动对应的运动曲线，并将所述运动曲线输入至所述多体动力学模型进行运行计算并得到结果数据；其中，所述结果数据为所述设备的驱动数据；根据所述结果数据进行有限元仿真计算并得到所述设备的结构应力应变状态，并根据所述结构应力应变状态校核所述设备的安全性能。本发明通过建立多体动力学模型，并对设备的各个驱动的驱动曲线进行运行计算并得到结果数据，并通过调用这些数据进行有限元仿真，从而能够得到设备的结构应力应变状态，并能够根据结构应力应变状态校核设备的安全性能，从而能够保证设备的安全性，进而能够保证用户的安全。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明中八自由度设备仿真方法的流程示意图。

图2是本发明中游乐设备的结构示意图。

图3是本发明中电动缸与上底座、上十字块、下底座、下十字块的连接示意图。

图4是本发明中虚约束验证过程示意图。

图5是本发明中车厢控制点的运动加速度参数图。

图6是本发明中电动缸的速度曲线图。

图7是本发明中车厢局部X向加速度曲线图。

图8是本发明中车厢局部Y向加速度曲线图。

图9是本发明中车厢局部Z向加速度曲线图。

图10是本发明中电动缸满载时电动缸出力曲线图。

图11是本发明中电动缸满载时电动缸功率曲线图。

图12是本发明中十字块的离散模型示意图。

图13是本发明中十字块的载荷与约束的分布示意图。

图14是本发明中十字块最大合位移的示意图。

图15是本发明中十字块最大等效力的示意图。

图16是本发明中计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

经发明人研究发现，多数大型游乐设备采用经验公式计算、简化理论计算、简化仿真计算三种计算方式，但是，采用经验公式计算计算出的结果可靠性无法保证，采用简化理论计算需要人为设定理想化的力的边界条件、位移边界条件、解的收敛条件等，方程解难以求出且精度也难以保证，采用将实际结构等效成一质量点、把机构间真实连接关系取消或用更简单连接关系替换掉、把复杂的真实运动简化为一组简单的单一运动，和真实工况差别大，难以得出真实结果。可见，经验公式或简化理论计算得出结果和实际相差巨大。特别是对于具有八自由度的大型游乐设备来说，因八自由度间存在高度非线性关系，无法穷尽机构空间运动姿态，难以考虑动力学响应，难以捕捉极限运动状态，无法精准计算机构最大应力应变状态，得不到最为恶劣的刚度、强度、稳定性、疲劳等安全性能数据，因而无法保证用户(乘客)安全。

为克服上述缺陷，本发明提供一种八自由度设备仿真方法，通过建立多体动力学模型，并对设备的各个驱动的驱动曲线进行运行计算并得到结果数据，并通过调用这些数据进行有限元仿真，从而能够得到设备的结构应力应变状态，并能够根据结构应力应变状态校核设备的安全性能，从而能够保证设备的安全性，进而能够保证用户的安全。

请参阅图1至图16，下面结合本发明具体应用实施例对本发明所述方法、计算机设备及存储介质作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种八自由度设备仿真方法，用于实时精确模拟设备各种运动，其中所述设备可以是游乐设备，所述方法可以包括以下步骤：

S100、构建设备的三维模型；其中，所述设备包括八个驱动(MOTION)，每一所述驱动对应一自由度；

请结合图2与图3，在一些实施例中，所述设备包括载台、底盘9、回转机构7与六个驱动设备；其中，回转机构7与所述载台构成一个转动驱动，所述底盘9与地面构成一个直线运动驱动，所述驱动设备构成六个直线运动驱动；其中，每一所述转动驱动对应一个自由度，每一所述直线运动驱动对应一自由度。

在一种实现方式中，所述驱动设备为电动缸，所述载台可以是车厢8，所述车厢8可以设置有多个座椅。所述电动缸包括缸体1与缸杆2；所述电动缸之间通过上底座3、上十字块4、下底座5与下十字块6连接。其中，所述上底座3与所述上十字块4建立6个转动副，所述缸杆2与所述上十字块4建立6个转动副，所述缸杆2与所述缸体1建立6个圆柱副，所述缸体1与所述下十字块6建立6个转动副，所述下十字块6与所述下底座5建立6个转动副，所述下底座5与所述底盘9建立3个固定副，所述底盘9与地面建立1个移动副，所述上底座3与所述回转机构7建立3个固定副，所述回转机构7与所述载台建立1个转动副。在一些实施例中，所述车厢8上可以设置有三排座椅，每排设置有四个，那么座椅与车厢8则建立12个固定副。另外，所述车厢8的附属结构与车厢8也建立了6个固定副，那么整个设备则有56个运动副(JOINT)。

其中，在电动缸缸杆2与缸体1的6个圆柱副上建立6个直线运动驱动，在底盘9与地面的1个移动副上建立1个直线运动驱动，在回转机构7与车厢8的1个转动副上建立1个转动驱动，共8个驱动。

S200、获取所述三维模型并输入至多体动力学软件进行仿真，以得到多体动力学模型；

具体地，将所述三维模型导入至多体动力学软件，获取所述三维模型的质量信息，并根据所述质量信息建立多体动力学模型，并参照所述设备的设计原理建立相关运动副、接触、驱动等设置，以及消除虚约束后，建立多体力学模型。如图4所示，经验证后，已无虚约束。其中，所述质量信息至少包括材料类型、质量分布、质量大小与转动惯量的信息。

S300、获取所述驱动对应的运动曲线，并将所述运动曲线输入至所述多体动力学模型进行运行计算并得到结果数据；其中，所述结果数据为所述设备的驱动数据；

具体地，所述驱动曲线包括驱动设备速度驱动曲线、回转机构加速度驱动曲线、底盘行走加速度驱动曲线。其中，对于回转机构加速度曲线与底盘行走加速度曲线可以直接使用IF函数编写成驱动函数，例如，所述回转机构加速度驱动曲线的表达式可以为：

if(time-16.806:0,0,if(time-18.806:75d,0,if(time-19.206:0,0,if(time-21.206:-75d,0,0))))；其中，d表示旋转角度。

所述底盘行走加速度驱动曲线的表达式可以为：

if(time-21.206:0,0,if(time-23.006:1500,0,if(time-23.206:0,0,if(time-25.066:-1500,0,0))))。

而较为复杂难以确定的驱动曲线则需要进行反向推导，因不知道6个电动缸的驱动方式，可以根据车厢的运动方式来反推6个电动缸的运动曲线，然后可以使用该运动曲线来驱动车厢运动。需要说明的是，车厢的运动方式是预先设置的，例如，需要对车厢的运动时间、速度、加速度、位移、角度进行设置。

在一些实施例中，所述驱动设备速度曲线的表达式为：

CUBSPL(time,0,SPLINE_1,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_2,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_3,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_4,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_5,0)；

CUBSPL(time,0,SPLINE_6,0)。

其中，在抑制掉车厢控制点的驱动后，激活6个电动缸驱动，即可调用电动缸速度驱动曲线。

以下，对所述驱动设备速度曲线的推导过程进行说明：

首先，需要对车厢、回转机构与底盘的运动参数进行设置，例如，车厢运动参数：升降±175mm，左右±160mm，前后±160mm，速度最大±330mm/s，加速度最大±3700mm/s

其后，获取所述载台的运动参数、所述回转机构的运动参数与所述底盘的运动参数，将所述回转机构的运动参数与所述底盘的运动参数设置为0，抑制掉电动缸的6个驱动，并根据所述载台的运动参数得到所述驱动设备速度驱动曲线。需要说明的是，在驱动设备速度曲线时，因驱动间不可以有冲突，因而冲突的驱动需要抑制掉。

其中，车厢与回转机构连接处的中点设为车厢的控制点，该控制点6个方向的运动加速度参数，如图5所示。需要说明的是，每一运动加速度参数用来驱动车厢朝向其中一个方向运动。

运行计算后，测量电动缸6个圆柱副的相关运动参数曲线，即根据车厢的控制点的6个方向的运动加速度参数以得到电动缸的运动副上的加速度、速度与位移等数据，从而得到6个电动缸的速度曲线，如图6所示，6个电动缸的速度范围在-256到256mm/s。其后导出6条速度曲线并保存为文本格式，然后以样条曲线的形式导入至多体动力学软件，待驱动电动缸时调用。

当所述驱动设备速度曲线确定后，对车厢上的用户进行加速度分区。在人体局部坐标系下，输出最具有代表性的处于最边缘的4个人的持续加速度曲线(小于或等于0.2g的加速度为冲击加速度)，并根据《GB 8408—2018大型游乐设施安全规范》，确定游客加速度分区，以确定人体束缚装置形式。如图7至图9所示，用户X向的持续加速度为-0.5至0.7g，用户Y向的持续加速度为-0.56至0.56g，用户Z向的持续加速度为-0.8至1.2g，其中g为重力加速度。

S400、根据所述结果数据进行有限元仿真计算并得到所述设备的结构应力应变状态，并根据所述结构应力应变状态校核所述设备的安全性能。

具体地，当各驱动曲线设置完成后，选择合适当前仿真的求解器，并设置求解时间与载荷步，运行计算以得到相关的结果数据。所述结果数据包括加速度、速度、位移、角度、力、力矩、功率等数据。

进一步地，根据所述驱动数据的最大输出数据校核所述设备的选型是否满足要求，若不满足，则更换所述驱动设备，或者对所述三维模型与所述驱动曲线进行调整。如图10与图11所示，满载时电动缸的最大出力为15140N，最大功率为2.6KW，根据电动缸的最大出力值与最大功率来确定电动缸是否满足驱动要求，若不满足，则更换功率更大的电动缸。

运动副之间的连接点出的数据可用于进行有限元计算，即通过提取连接点处结果数据，在有限元分析中作为载荷边界条件。

具体地，根据运动副点的支反力或力矩结果，采用有限元软件进行刚度、强度仿真计算，以十字块为例：

满载工况下某一时刻电动缸驱动力最大，电动缸下端十字块受力最大，此时输出支反力数据为：

最大受力：FX＝-10675N，FY＝-9525N，FZ＝-6112N；

力矩：MX＝-25859N·mm，MY＝-80480N·mm，MZ＝63279N·mm；

那么，将十字块三维模型调整到此时刻的位置进行有限元仿真计算即可，如图12-15所示。

可见，本发明从多体动力学仿真模型建立到结果输出，可以精确得到人体加速度数据、驱动所需数据和各运动副受力等数据，以及调用这些数据进而进行极限状态下有限元仿真计算，得出结构应力应变状态，全方位保证设施安全。其中，本发明具有以下优点：

1.完整建立多体动力学模型，组合所有自由度运动，完美仿真真实工况；2.实时仿真游客加速度状况，合理布置游客束缚装置；3.采用IF函数编写驱动数据(电动缸加速度、速度、位移等驱动曲线)，模拟现实中存在的冲击影响；4.得出高精度结果数据(整个运动过程中所有运行参数，如各机构加速度、速度、位移、角度，运动副上受力、力矩，驱动所需力、力矩、功率，接触力、摩擦力、弹簧力、阻尼力等数据)，为设备选型和有限元计算提供精准数据。因而本发明可实时精确模拟游乐设施各种运动(平动、转动、组合运动)，让游客在体验快感的同时，找出极限运动状态(各机构承受最大载荷的位置和时刻)，从而保障游客安全。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

S100、构建设备的三维模型；其中，所述设备包括八个驱动，每一所述驱动对应一自由度；

S200、获取所述三维模型并输入至多体动力学软件进行仿真，以得到多体动力学模型；

S300、获取所述驱动对应的运动曲线，并将所述运动曲线输入至所述多体动力学模型进行运行计算并得到结果数据；其中，所述结果数据为所述设备的驱动数据；

S400、根据所述结果数据进行有限元仿真计算并得到所述设备的结构应力应变状态，并根据所述结构应力应变状态校核所述设备的安全性能。

在一个实施例中，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图16所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种八自由度设备仿真方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图16中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

S100、构建设备的三维模型；其中，所述设备包括八个驱动，每一所述驱动对应一自由度；

S200、获取所述三维模型并输入至多体动力学软件进行仿真，以得到多体动力学模型；

S300、获取所述驱动对应的运动曲线，并将所述运动曲线输入至所述多体动力学模型进行运行计算并得到结果数据；其中，所述结果数据为所述设备的驱动数据；

S400、根据所述结果数据进行有限元仿真计算并得到所述设备的结构应力应变状态，并根据所述结构应力应变状态校核所述设备的安全性能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。