一种模拟地震演示平台系统及其演示方法
【专利摘要】本发明提出了一种改进的模拟地震的演示平台系统及其演示方法。该模拟地震演示平台系统包括用户操作系统、模拟断层沙盘、阻尼式能量积蓄和释放系统、六自由度悬挂系统、模拟地表沙盘；所述用户操作系统包括两个操作杆，两个操作杆中的每个均与所述阻尼式能量积蓄和释放系统相连接；所述模拟断层沙盘耦合到所述阻尼式能量积蓄和释放系统；所述六自由度悬挂系统设置在所述模拟断层沙盘上；所述六自由度悬挂系统支撑所述模拟地表沙盘。
【专利说明】一种模拟地震演示平台系统及其演示方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于教学、科普的演示平台系统，更具体地，涉及一种模拟地震的演示平台系统及其演示方法。
【背景技术】
[0002]近年来，在我国地震频发，大部分人对地震的形成、以及地震发生的状况仍处于未知状态，从而在心理上对地震感到畏惧，为了向公众进行地震的科普或实验教学，当前也存在一些模拟地震的演示系统。
[0003]现有的模拟地震演示系统一般采用液压或机械式震动平台方式模拟地震。系统包括电力输入、液压或机械臂传动等结构，通过液压缸或机械臂支撑平台进行上下左右运动。然而现有的模拟地震演示系统，大多由机械或液压传动系统、多连杆连接支撑系统、电力输入系统组成。一方面，传统地震平台演示系统一般采用气缸、连杆等硬性连接结构，只能实现多个自由度的约束运动。另一方面，传统地震平台采用液压、电力等动力供给方式，此方式缺陷在于:耗能大，动力释放缓慢，震动效果不逼真。因此现有的模拟地震演示系统的缺点主要有:体积大，自重高，能耗大、震动平台震动生硬、自由度低，不符合实际地震时震动情形。
【发明内容】
[0004]本发明正是为了克服上述缺陷，而提出了一种改进的模拟地震演示平台系统及其演示方法。
[0005]一方面，本发明的实施例提供了一种模拟地震演示平台系统，包括用户操作系统、模拟断层沙盘、阻尼式能量积蓄和释放系统、六自由度悬挂系统、模拟地表沙盘；所述用户操作系统包括两个操作杆，两个操作杆中的每个均与所述阻尼式能量积蓄和释放系统相连接；所述模拟断层沙盘耦合到所述阻尼式能量积蓄和释放系统；所述六自由度悬挂系统设置在所述模拟断层沙盘上；所述六自由度悬挂系统支撑所述模拟地表沙盘。
[0006]其中，所述阻尼式能量积蓄和释放系统包括用于积蓄外力的阻尼式能量积蓄机构。
[0007]其中，所述六自由度悬挂系统为对称结构，在所述六自由度悬挂系统的每一侧均包括支撑柱、磁体对、支撑弹簧以及滚轮组。
[0008]其中所述支撑柱设置在对应的模拟断层沙盘上；所述支撑弹簧设置在对应的支撑柱上；所述磁体对中的磁体分别设置在每个支撑柱朝向内部的侧面以及模拟地表沙盘的底部凸块的对应侧面，其中每个磁体对的两个磁体彼此相对；所述滚轮组的一侧与相应的支撑弹簧附接，而另一侧支撑模拟地表沙盘。
[0009]其中所述六自由度悬挂系统包括两个支撑柱、两个磁体对、两个支撑弹簧以及两个滚轮组。
[0010]其中，所述阻尼式能量积蓄和释放系统为对称结构，两侧均包括压缩弹簧、弹簧套杆、阻尼滑块、压簧轴承、行程限位板。
[0011]其中，所述弹簧套杆与用户操作系统的操作杆进行套装，所述弹簧套杆与操作杆之间放置所述压缩弹簧，所述弹簧套杆耦合所述阻尼滑块，所述阻尼滑块下方靠近所述压簧轴承的一角为45度倒角，所述压簧轴承和所述行程限位板固定于展台底座。
[0012]本发明还提供了一种利用上述模拟地震演示平台系统的演示方法，所述方法包括以下步骤:推动操作杆；操作杆通过连接阻尼式能量积蓄和释放系统，使所述操作杆的推动力由阻尼式能量积蓄和释放系统吸收；当推动力达到阻尼式能量积蓄和释放系统临界点时，阻尼滑块压下压簧轴承，快速向前撞上行程限位板，使所述阻尼式能量积蓄和释放系统释放，推力被释放出，从而带动所述模拟断层沙盘运动；所述模拟断层沙盘通过所述六自由度悬挂系统的支撑弹簧、磁体对连接模拟地表沙盘，以带动所述模拟地表沙盘进行六自由度自王运动。
[0013]其中，在第一步中，由用户来推动所述操作杆。
[0014]本发明通过上述技术方案，有助于改善操作者对地震的认知和人机互动性，同时还有助于地震研究者对地震的研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例的模拟地震演示平台系统的构造示意图；以及
[0016]图2是本发明实施例的模拟地震演示平台系统的六自由度悬挂系统的构造示意图；
[0017]图3示出了本发明实施例的模拟地震演示平台系统的阻尼式能量积蓄和释放系统其中一侧的构造示意图；
[0018]图4示出阻尼式能量积蓄释放系统效果简图。
[0019]如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种模拟地震演示平台系统及其演示方法进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。同时，需要注意的是附图仅为示意性的，其具体部件的尺寸不必需按实际比例给出。此外，对于本领域公知的技术，例如简单的机械连接等，这里将不在赘述。
[0021]图1示出了本发明实施例的模拟地震演示平台系统的构造示意图。如图1所示，本发明的模拟地震演示平台系统主要包括用户操作系统、模拟断层沙盘、阻尼式能量积蓄和释放系统、六自由度悬挂系统、模拟地表沙盘。其中，模拟断层沙盘与模拟地表沙盘通过六自由度悬挂系统进行联动，通过操作者对操作杆进行动作、能量输入，引发模拟断层沙盘的相对运动，经过阻尼式能量积蓄和释放系统的作用，使模拟断层沙盘产生一个突然震动，并通过六自由度悬挂系统传递给模拟地表沙盘，使其产生震动，形象模拟地震发生时地表的运动情况。
[0022]用户操作系统包括操作杆，在本发明的优选实施例中，该操作杆包括两个，然而本领域技术人员可以理解的是，操作杆的数量不限于此，可以根据需要而设置为任意数量。在本发明的优选实施例中，所述用户操作系统包括两个操作杆，两个操作杆中的每个均与所述阻尼式能量积蓄和释放系统相连接；所述模拟断层沙盘耦合到阻尼式能量积蓄和释放系统。该阻尼式能量积蓄和释放系统包括阻尼式能量积蓄机构，当积蓄的外力超过阻尼式能量积蓄机构限制值后，阻尼式能量积蓄机构猛然失去作用，积蓄外力猛然释放，形成巨大的震动效果，从而模拟地震的发生。
[0023]在模拟断层沙盘上面设置有将在下面详述的本发明的六自由度悬挂系统。六自由度悬挂系统支撑模拟地表沙盘，如图所示。为了形象的描述地震发生的情况，还可在模拟地表沙盘上根据工程力学、材料力学等比例地来设置树木、房屋、建筑等参照物。
[0024]图2示出了本发明实施例的模拟地震演示平台系统的六自由度悬挂系统的构造示意图。如图所述，该六自由度悬挂系统为对称结构，在每一侧均包括支撑柱、磁体对、支撑弹簧以及滚轮组，其中支撑柱设置在对应的模拟断层沙盘上，支撑弹簧设置在对应的支撑柱上；磁体对中的每个磁体分别设置在每个支撑柱朝向内部的侧面(即朝向六自由度悬挂系统内部的一侧)以及模拟地表沙盘底部凸块的对应侧面，其中每个磁体对的两个磁体彼此相对；滚轮组的一侧与每个支撑弹簧附接，另一侧支撑模拟地表沙盘。该六自由度悬挂系统由于采用弹簧悬挂与磁悬浮技术相结合的悬挂方式，实现六自由度自主运动，并且具有水平方向运动行程大，上下震动幅度小的特性，符合地震时，上下震动幅度小，水平方向运动剧烈的特点。
[0025]图3示出了本发明实施例的模拟地震演示平台系统的阻尼式能量积蓄和释放系统的构造示意图。如图所示，该阻尼式能量积蓄和释放系统为对称结构，两侧均包括压缩弹簧、弹簧套杆、阻尼滑块、压簧轴承、行程限位板、展台底座等，其中弹簧套杆与用户操作系统的操作杆进行套装，二者之间放置压缩弹簧，弹簧套杆耦合阻尼滑块，阻尼滑块下方靠近压簧轴承的一角为45度倒角，压簧轴承和行程限位板固定于展台底座。在这里，本发明虽然描述了一个具体的阻尼式能量积蓄和释放系统，然而并发明并非限于此，机械领域的技术人员也可以构思其它方式的阻尼式能量积蓄和释放系统。
[0026]该系统通过操作者推杆，压缩弹簧并推进阻尼滑块运动，阻尼滑块下方靠近压簧轴承的一角凭借其45度倒角压下压簧轴承，从而积蓄推力，当达到临界值时，造成操作者推力的突然释放，同时行程限位板控制阻尼滑块位置，操作者松手后，压簧轴承将阻尼滑块弹回原位，操作杆也恢复到初始位置，同时通过连接杆连接到阻尼式能量积蓄和释放系统的模拟断层沙盘接收到能量的释放。该系统将操作者给予的持续的外力转化为能量的积蓄和突然释放，形象模拟了地震发生时的能量积蓄和释放过程。
[0027]接下来，将详细描述该模拟地震演示平台系统的演示方法。
[0028]首先，操作者可分别站立在模拟地震演示平台系统两侧，推动操作杆；
[0029]接着，操作杆通过连接阻尼式能量积蓄和释放系统，使所述操作杆的推动力由阻尼式能量积蓄和释放系统吸收；
[0030]随后，当操作者的推动力达到阻尼式能量积蓄和释放系统临界点时，所述阻尼式能量积蓄和释放系统释放，推力被释放出，从而带动所述模拟断层沙盘运动；
[0031]之后，模拟断层沙盘通过六自由度悬挂系统的弹簧、磁体悬挂机构连接模拟地表沙盘，带动模拟地表沙盘进行上下左右前后六自由度自主运动，从而形象模拟地震发生时，地表的运动情况；操作者可观看到模拟地表沙盘上树木、房屋、建筑等参照物在模拟地震中的运动状况。
[0032]本发明的模拟地震演示平台系统一方面通过使用户通过操作，亲自观察地震成因、发生过程、传播规律等知识，相比于传统科普教育方式的图文、动画等抽象的演示方式，本发明更有助于改善操作者对地震的认知和人机互动性，同时还有助于地震研究者对地震的研究。
[0033]本发明另一方面通过采用六自由度悬挂系统，实现了六自由度自主运动，每个自由度的运动行程完全取决于模拟地表沙盘受动力大小情况而定。可以真实模拟地震波传播特性，即:纵波传递速度快，先到达地面，横波传播速度慢，后到达地面，横波造成地面水平方向大幅运动，产生巨大危害。
[0034]此外，本发明的模拟地震演示平台系统由于采用阻尼式能量释放系统，通过吸收操作者通过操作杆所施加的作用力，积蓄能量，当到达阻尼系统释放临界值后，突然释放，带动模拟断层沙盘剧烈震动，再通过磁性悬挂系统传递到模拟地表沙盘，从而产生了更加形象逼真的地震效果，也能够给用户带来更加震撼的视觉效果。
[0035]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种模拟地震的演示平台系统，包括用户操作系统、模拟断层沙盘、阻尼式能量积蓄和释放系统、六自由度悬挂系统、模拟地表沙盘；其特征在于: 所述用户操作系统包括两个操作杆，两个操作杆中的每个均与所述阻尼式能量积蓄和释放系统相连接； 所述模拟断层沙盘耦合到所述阻尼式能量积蓄和释放系统； 所述六自由度悬挂系统设置在所述模拟断层沙盘上； 所述六自由度悬挂系统支撑所述模拟地表沙盘。
2.根据权利要求1所述的模拟地震演示平台系统，其特征在于，所述阻尼式能量积蓄和释放系统包括用于积蓄外力的阻尼式能量积蓄机构。
3.根据权利要求1所述的模拟地震演示平台系统，其特征在于，所述六自由度悬挂系统为对称结构，在所述六自由度悬挂系统的每一侧均包括支撑柱、磁体对、支撑弹簧以及滚轮组。
4.根据权利要求3所述的模拟地震演示平台系统，其特征在于， 所述支撑柱设置在对应的模拟断层沙盘上； 所述支撑弹簧设置在对应的支撑柱上； 所述磁体对中的磁体分别设置在每个支撑柱朝向内部的侧面以及所述模拟地表沙盘的底部凸块的对应侧面，其中每个磁体对的两个磁体彼此相对； 所述滚轮组的一侧与相应的支撑弹簧附接，而另一侧支撑模拟地表沙盘。
5.根据权利要求1或2所述的模拟地震演示平台系统，其特征在于，所述六自由度悬挂系统包括两个支撑柱、两个磁体对、两个支撑弹簧以及两个滚轮组。
6.根据权利要求1所述的模拟地震演示平台系统，其特征在于，所述阻尼式能量积蓄和释放系统为对称结构，两侧均包括压缩弹簧、弹簧套杆、阻尼滑块、压簧轴承、行程限位板。
7.根据权利要求6所述的模拟地震演示平台系统，其特征在于，所述弹簧套杆与用户操作系统的操作杆进行套装，所述弹簧套杆与操作杆之间放置所述压缩弹簧，所述弹簧套杆耦合所述阻尼滑块，所述阻尼滑块下方靠近所述压簧轴承的一角为45度倒角，所述压簧轴承和所述行程限位板固定于展台底座。
8.一种利用权利要求1-7中的任一项所述的模拟地震演示平台系统的演示方法，所述方法包括以下步骤: 推动操作杆； 操作杆通过连接阻尼式能量积蓄和释放系统，使所述操作杆的推动力由阻尼式能量积蓄和释放系统吸收； 当推动力达到阻尼式能量积蓄和释放系统临界点时，所述阻尼式能量积蓄和释放系统释放，推力被释放出，从而带动所述模拟断层沙盘运动； 所述模拟断层沙盘通过所述六自由度悬挂系统的支撑弹簧、磁体对连接模拟地表沙盘，以带动所述模拟地表沙盘进行六自由度自主运动。
9.根据权利要求8所述的演示方法，其特征在于，在第一步中，由用户来推动所述操作杆。
【文档编号】G09B23/40GK104252809SQ201410478894
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】付丛茂 申请人:中国科学技术馆