SlideShare ist ein Scribd-Unternehmen logo
1 von 41
Downloaden Sie, um offline zu lesen
1 | P a g e  
 
Themed Entertainment Design 
North Carolina State University Special Project 
Department of Mechanical and Aerospace Engineering 
Written By Christopher Williams 
Advised by Dr. Gregory Buckner 
I. INTRODUCTION 
New  inventions  and  innovations  made  within  the  last  century  have  afforded  individuals  a  significant 
amount of leisure time. With that new found time, people are spending a significant amount of money 
entertaining themselves. The music, film, and television industries are booming with record sales almost 
every  year,  and  consumers  look  towards  these  industries  as  a  form  of  escape  from  their  day‐to‐day 
activities. As another form of entertainment and escape, families are using their free time and money to 
vacation. Many families are taking multiple trips every year, and they are looking to travel new places 
and have unforgettable experiences. Media giants such as the Walt Disney Company and NBCUniversal 
are able to appeal to a wide base of these vacationers by incorporating their music, film, and television 
assets into their Theme Parks. This unique type of Themed Entertainment Design allows vacationers to 
experience the environments of their favorite movies and television series through rides and attractions.  
A detailed investigation into these theme park rides and attractions is the main focus of this report, 
which covers the current climate of the theme park industry, an investigation into the current industry 
standards for theme park design, a trade study of the Disneyland Matterhorn Bobsleds ride vehicle, and 
a new original concept for a theme park ride vehicle. 
II. THEMED ENTERTAINMENT OVERVIEW 
Themed  Entertainment  Design  has  become  a  broad  topic  that  encompasses  many  different  types  of 
entertainment. Although this report focuses solely on theme park experiences, there are many themed 
entertainment companies such as The Thinkwell Group and Garner Holt Productions that work to design 
and create compelling exhibits for museums, unforgettable moments for live performances/events, and 
exciting environments for restaurants. Even sports teams have contracted out to these companies to 
design their sports stadiums to draw in fans and entertain them with the desire to keep them coming 
back. Themed Entertainment Designers utilize their highly technical design skills in a creative way to 
appeal to large audiences. When this attention is turned to theme park design, the newest technologies 
become utilized to create the most awe‐inspiring experiences possible. 
A. TYPES OF THEME PARK RIDES 
All theme park rides can be classified into one or more categories listed below. For the purposes of this 
report, the term “ride” is defined as a theme park experience that is able to physically move or transport 
the guest. Therefore, walkthrough exhibits and standard theater showings are not included in the list 
below. 
2 | P a g e  
 
1. Train Ride – A traditional train ride or similar experience 
2. Coaster—Motion created from the conversion from potential to kinetic energy 
3. Bumper Car Vehicle—Vehicle controlled by guests 
4. Water Ride/Log Ride—Floating vehicle  
5. Drop/Freefall Tower—Ascending/Descending Vertical Based Track 
6. Ferris wheel—Based on the design from the 1893 World Columbian Exposition 
7. Motion Simulator—simulates motion through the use of accelerations 
8. Dark Ride—an vehicle guided through animation, sound, and special effects 
9. Omnimover/Mass Transit System—nonstop loading and unloading vehicle 
10. Orbiter—a ride vehicle attached to a central support that rotates 360‐degrees 
 
Usually, a newer theme park attraction will incorporate the latest technologies to expand on one of the 
categories listed, or even combine different concepts from the different categories to create hybrid of 
attractions. An example of this hybrid combination is the famous Haunted Mansion of Disney Park fame, 
which combines characteristics of a classic Dark Ride with an Omnimover ride vehicle system. 
III. THEME  PARK  SAFETY  –  DESIGNING  FOR  SAFETY  AND  HUMAN 
FACTORS 
For a brief time In the United States, there was a national government commission that oversaw theme 
park safety standards. This occurred when Congress passed the Consumer Product Safety Act in 1972. 
This  Act  established  the  Consumer  Product  Safety  Commission  (CPSC).  The  CPSC  held  a  broad 
interpretation of their power, and believed that amusement park rides should be under their jurisdiction 
as “consumer products.” The federal court system later upheld this belief when it was challenged in 
court. Therefore, under the provisions of this act, the CPSC were able to regularly inspect permanent 
theme park rides as well as mobile amusement rides that travel from state to state. This lasted until 
1981,  when  Congress  passed  the  federal  Omnibus  Budget  Reconciliation  Act  in  1981.  One  of  the 
features of this act removed the CPSC’s jurisdiction over permanent theme park attractions. Therefore, 
the ability to regulate theme parks has since been left up to the state and local governments where 
permanent theme parks reside. 
Currently there are 44 out of the 50 states in the US that regulate theme parks. It should be noted that 
the six remaining states have few if any theme parks. The most recent published findings show that as of 
1986, around eighty‐percent of injuries that take place in amusement parks are caused by rider error. 
The results of this research coupled with significant incidents at local theme parks caused ten different 
states to adopt “rider responsibility legislation” to help protect theme parks from liability to rider error. 
3 | P a g e  
 
At  the very least, most states have laws that allow amusement  parks  the  ability  to  detain and eject 
anyone that is suspected of violating any theme park rules. 
The overall rules and regulations that a theme park must follow varies from state to state, but some 
states such as California, have little to no regulations on permanent theme parks with the exception of 
making theme parks comply with local building codes. Some states have strict inspection requirements 
that require inspections multiple times a year from an independent party. In addition to the state and 
local government oversight, the insurance companies of theme parks are able to leverage their own 
rigorous inspections on theme parks in order to provide insurance coverage. 
Overall, the  theme park industry is largely self‐regulated through the standards set by the American 
Society for Testing and Materials (ASTM) F‐24 Committee on Amusement Rides and Devices. The ASTM‐
24 committee is made up of consumer advocates, government officials, amusement park operators, ride 
manufacturers, and industry suppliers. The committee establishes voluntary standards on design and 
manufacture,  testing,  operation,  maintenance,  inspection,  and  quality  assurance  for  the  theme  park 
industry. All of the standards are reviewed regularly in order to stay current and up to date with the 
latest technologies and have been adopted by thirty‐two states, as well as in countries around the world. 
The standards are all published in the  ASTM Annual Book of Standards and can be found  in Section 
15.02. Many of the ASTM standards are very specific, such as stating that 175 lb. shall be the assumed 
weight of an adult passenger for design purposes, although there are not currently any ASTM standards 
for software. 
A. DESIGNING FOR SAFETY 
There are four different aspects of safety to consider when designing a theme park attraction 
1. Designing Rides for Safety 
Designing a ride to be safe goes beyond the structural analysis of the ride, or determining if the ride will 
be safe during normal operation. There should be a human factor analysis that will determine if there is 
any way a rider could potentially use the ride that is unsafe, such as reaching out of the ride vehicle and 
hurting themselves. 
2. Manufacturing Rides for Safety 
Manufacturing  the  rides  for  safety  is  determining  whether  the  ride  was  built  according  to  the  safe 
design. All of the design plans been followed accordingly. 
3. Maintaining Rides for Safety 
Maintaining rides for safety means that all rides receive the necessary and proper maintenance in order 
to continue safe operation. 
4. Operating Rides for Safety 
Operating  rides  for  safety  means  that  the  ride  operator  controls  the  ride  according  the  proper 
maintenance requirements, and the ride operator knows and follows all passenger safety requirements 
and assures that the passengers use the ride in a way that is consistent with the original designed safety 
requirements. 
4 | P a g e  
 
IV. REDESIGNING A CLASSIC – REDESIGN OF THE MATTERHORN BOBSLED 
After  looking  at  the  various  requirements  for  theme  park  ride  vehicles,  it  was  determined  that  the 
Matterhorn Bobsleds in Disneyland Park in California would be an excellent case study for this project. 
The Matterhorn Bobsleds opened in 1959, and it is credited to be the world’s first tubular steel roller 
coaster.  There  have  been  several  plans  to  replicate  The  Matterhorn  at  other  Disney  theme  parks; 
however,  the  one  built  in  California  is  still  the  only  on  in  existence.  The  Matterhorn  is  an  excellent 
example of themed entertainment design, because the ride vehicle helps communicate the theming and 
story behind the attraction. After stepping into the bobsled and putting a seatbelt on, guests are pulled 
up to the top of a snowy mountain using a drive‐chain. Once at the top, gravity takes over to race the 
bobsled  down  to  the  bottom  of  the  mountain.  Construction  details  and  other  facts  regarding  the 
Matterhorn are included in Figure 1. 
 
Figure 1.Informational graphic published in The Orange County Register August 21,2013. 
5 | P a g e  
 
A. MATTERHORN RIDE VEHICLE HISTORY 
Several enhancements have been made to the Matterhorn since its opening, including the addition of 
projections,  sound  effects,  show  scenes,  and  Abominable  Snowmen  audio‐animatronics.  The 
Matterhorn ride vehicle has had a total of three iterations during the life of the attraction. The original 
ride vehicle seated up to four guests (two seats that allowed up to two people each with lap sitting) as 
shown in Figure 2.  
 
 
Figure 2. The original Mattherhorn Bobsleds ride vehicle after opening in 1959. 
Original design continued until 1978, when two cars were joined together to allow up to eight guests to 
ride (four seats that allowed up to two people each with lap sitting). This new design leveraged the 
Space Mountain ride vehicle design from Disneyworld and was able to adhere to the Bobsled theming by 
repainting the ride vehicles. This design is shown in Figure 3. 
6 | P a g e  
 
 
Figure 3. The second iteration of the Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
The  ride  vehicles  were  updated  again  most  recently  in  2012.  The  original  dual  tandem  seating  was 
replaced with three individual seats per car. As shown in Figure 4, cars were once again joined together 
to have a total capacity of six guests. 
 
Figure 4. Current Matterhorn Ride Vehicles updated in 2012. 
7 | P a g e  
 
The current iteration of the Matterhorn has a total capacity six guests, which is technically less than the 
previous  capacity  of  the  former  ride  vehicles;  however,  the  change  was  almost  certainly  made  for 
operational reasons. Although the total vehicle capacity is now less, the hourly throughput has most 
certainly increased. The tandem seating was not always popular among guests and many groups would 
ask for individual seats for personal comfort in order to avoid lap sitting in the vehicles shown in Figure 3. 
Therefore, if two groups of two asked for individual seating, the capacity of the ride vehicle drops in half 
from eight guests to four guests. By ensuring that six guests are able to experience the attraction every 
time the vehicle leaves the station, the overall hourly capacity is able to increase. 
B. CURRENT MATTERHORN RIDE VEHICLE AREAS OF IMPROVEMENT 
Ideally the new design of the ride vehicles would have been extended to allow for eight individual seats 
to be included in the ride vehicle. However, the original tubular steel track remains largely unchanged 
since opening, and the ride vehicles were designed to remain compatible with the original track. The 
cost to modify the structure of the track is almost prohibitively expensive when the option to remain 
within the original vehicle envelope is available. 
 
Figure 5. A close up view of the current Matterhorn Bobsleds after the redesign in 2012. 
The latest vehicle design, as shown in more detail in Figure 5, divided the existing space into three even 
sections in order to allow for three individual seats. The addition of the third seat takes up a significant 
amount  of  overall  space  in  the  vehicle,  especially  considering  that  the  new  design  also  lowered  the 
position of the seats and attached them directly to the floor of the vehicle. Physical sizes as well as 
flexibility now play a significant role in the overall comfort of experiencing the attraction. As shown in 
Figure 6, even average sized guests must squeeze into the space allotted and straddle the individual 
8 | P a g e  
 
bucket seats of the attraction. If guests sit in the front of the vehicle, their legs don’t have a seat to 
straddle and they must conform to the shape of the nose of the vehicle. The sides of the bucket seats 
are attached to the vehicle at its sides, which prevents guests that are larger, or even slightly above 
average height, from comfortably sitting in the vehicle.
 
Figure 6. The current Matterhorn Bobsled vehicle depicting the tight fit required for average sized guests. 
Another overall concern regarding the design of the ride vehicle is that the original track provides a very 
uncomfortable  experience—especially  now  that  guests  are  seated  directly  on  the  floor  of  the  ride 
vehicle in an already uncomfortable position. The Matterhorn’s tubular steel track was the first of its 
kind in the world, and was originally designed as a smoother alternative to the popular wooden roller 
coasters of its time. Today, the original intentions of the track design are still appreciated; however the 
fifty‐six year track is starting to show its age when compared to modern roller coasters. The current 
industry  utilizes  computer  simulations  to  digitally  build  a  roller  coaster  track  well  before  it  is  ever 
constructed in order to accurately predict the body forces experienced by guests during the ride. This 
allows for the track to be changed and optimized, providing the most thrilling experience while also 
keeping the uncomfortable vibrations and accelerations to a minimum. 
For an update for the Matterhorn Bobsleds ride vehicle, and for the design of any other theme park 
attraction,  guest  comfort  and  safety  should  always  be  the  number  one  concern.  However,  there  is 
another  important  reason  to  update  the  current  Matterhorn  ride  vehicle  to  a  more  comfortable 
experience.  Theme  parks,  by  definition,  design  and  theme  their  attractions  to  tell  a  specific  story  or 
convey a specific message to their audience. In order for good themed entertainment design to work, 
the guest and all of their senses must be fully convinced that what they are experiencing is real. This 
important detail is what sets “theme parks” above generic “amusement parks,” even though both types 
of parks can offer similar rides and attractions. For the Matterhorn Bobsleds in particular, if the guests 
are able to experience a smoother ride quality, their attention will be more on the theming and detail of 
the Matterhorn instead of on their own personal discomfort. In addition, the smoother ride quality will 
9 | P a g e  
 
help convey the message that they are plummeting down a snowy mountain through fresh powdered 
snow. 
The final concern that came up after the most recent 2012 design of the ride vehicles was the change in 
height  requirement.  Both  the  original  and  second  iterations  of  the  Matterhorn  Bobsleds  (shown  in 
Figures 2 and 3) had a 35‐inch height requirement, thus making it the first roller coaster experience for 
multiple generations of guests. The updated bobsleds have a 42‐inch height requirement, which is 2‐
inches taller than comparable newer roller coasters such as Space Mountain and Big Thunder Mountain. 
Ideally, the height requirement should be changed back to 35‐inches, or at the very least dropped down 
to 40‐inches to make the height requirement comparable to Space Mountain or Big Thunder Mountain. 
As a summary of the important improvements that should be made to the design: 
1. The human factors and ergonomics for the ride vehicle need to be revisited in order to allow a 
comfortable experience for the widest range of guests possible 
2. The ride quality (comfort, not theming) needs to be improved to allow guests a better overall 
experience 
3. Similar to designing for human factors, the height requirement should be able to be reduced 
back to the original 35‐inches instead of the current 42‐inch height requirement 
C. IMPORTANT DESIGN DETAILS TO KEEP 
There are a number of features that have been included in Matterhorn Bobsled design that must be 
included in order to allow for the ride vehicle to remain compatible with the current track. 
1. As part of the original wheel assembly, a lift‐hill hook is included to allow the ride vehicle to be 
taxied up to the top of the mountain before it can begin its decent. 
2. The Matterhorn track currently has sensors with pacer motors and air‐brakes as shown in Figure 
1. A “strike‐plate” is included on the undersides of the chassis and the wheel assemblies that 
allow  for  the  ride  vehicles  to  move  at  a  consistent  speed  while  also  preventing  any  vehicle 
collisions. 
3. The underside and outside of the ride vehicle is able to stand up to weather, particularly water, 
because the vehicle dives into a pool of water during the ride finale. 
4. There is a universal linkage that is included in the design to be able to connect two of the ride 
vehicles in series. 
5. The wheels and wheel assemblies will largely remain unchanged to allow for their compatibility 
with the existing track. Most roller coaster wheels are made from either Nylon or Polyurethane. 
Nylon is wheels tend to make the ride faster, but also tend to vibrate more and cause more 
wear  onto  the  track.  Therefore,  it  is  assumed  Polyurethane  wheels  are  used  in  the  wheel 
assemblies. 
6. The body material that bonds to the ride vehicle chassis is likely fiberglass. This is assumed for 
the design. 
D. RESEARCH ON RIDE VEHICLE SUSPENSION SYSTEMS 
The original plan for this project was to keep the wheel assemblies untouched, and only change the 
chassis and the seating for the redesign of the Matterhorn Bobsleds. Therefore, vibration isolators were 
10 | P a g e  
 
investigated  to  be  able  to  directly  isolate  the  ride  vehicle  seats  from  any  rough  forces  or  vibrations 
induced by the track. Wire rope isolators, elliptic leaf spring mounts, and air springs as shown in Figure 7 
were investigated as a good option to use in between the ride vehicle seats and the chassis. Of these 
options, the air springs and the elliptic leaf spring mounts were the most promising; however, the spring 
rates for the elliptical leaf spring mounts could not provide isolation for a broad range of weights sitting 
in the seats. Statistical data shows that if the height requirement dropped back down to 35‐inches, then 
a child that is 35‐inches tall would weigh an average of 35 lb. There is no maximum height or weight 
requirements, which means that guests seven feet or taller and guests weighing up to 350 lb. will also 
ride the attraction. This means that vibration isolators for the seat needed to be able to comfortably 
respond to a wide range of weights, and after a significant amount of research, it was determined that 
only the air springs could be installed and adjusted to be able to meet this requirement. However, in 
order for this to work, either an employee would have to change the air pressure within the air springs 
prior to the departure of every ride vehicle (an operational nightmare), or an autonomous system could 
be set up to inflate or deflate the air springs based on sensor inputs placed on the seat. Of these two 
choices, the autonomous system would be the better choice, although this requires an air compressor to 
be added to the Matterhorn Bobsleds. This could be done, although the excessive and unexpected noise 
of the air compressor would immediately ruin the illusion of being in a bobsled. With all of these options 
off the table, the option of adding a chassis suspension system seemed like the most likely option for 
ride comfort. 
 
Figure 7. Mechanical vibration isolators in order from left to right: air springs, wire rope isolators, and elliptical leaf springs. 
After  a  significant  amount  of  research,  it  was  evident  that  it  is  very  uncommon  to  use  suspension 
systems  on  theme  park  vehicles  of  any  kind.  Adding  a  suspension  system  to  a  roller  coaster  wheel 
assembly and integrating it with the chassis of the roller coaster has likely never been done before. As 
mentioned previously, the roller coaster ride vehicle is always attached rigidly to the wheel assemblies 
as shown in Figure 8, and the track is usually designed to allow for the roller coaster to smooth and 
controlled maneuvering. With that being said, the Matterhorn Bobsled track is already in place with a lot 
of the original track attached to the structure of the mountain. This prevents the track from easily being 
modified in order to make the ride experience more enjoyable.  
11 | P a g e  
 
 
Figure 8. The  roller coaster from Six Flags Magic Mountain, showing the connection of the wheel assembly chassis. 
Luckily, the use of suspension systems in vehicles has been prevalent for as long as passenger vehicles 
have  been  around.  Suspension  systems  avoid  a  rigid  connection  between  a  vehicle  chassis  and  its 
wheels,  and  allow  relative  motion  between  the  two  for  either  ride  handling  reasons  or  passenger 
comfort. Suspension system components generally include the wheels, springs, dampers, and linkages 
that connect a vehicle to its wheels. The linkages control the relative motion between the chassis and its 
wheels,  while  the  springs  and  dampers  allow  for  wheels  to  react  to  changes  in  the  road  conditions. 
Springs determine how a vehicle will respond to changes in the road conditions or how it will respond to 
changes in the vehicle loading caused by accelerations and cornering. Springs need to be chosen with 
the suitable spring rate that is soft enough to handle bumps and stiff enough to avoid excessive pitching 
while  accelerating  or  braking.  While  springs  determine  how  far  the  chassis  will  move  during 
accelerations and road conditions, damping determines how long it takes to get there, and how quickly 
it will return to its original position. Overall, damping has a huge influence on comfort, handling, and 
vehicle traction, and while spring force is determined by the amount a spring is compressed, damping 
force  is  determined  by  the  change  in  velocity  of  the  damper.  This  damping  force  is  almost  always 
created  by  forcing  oil  through  an  orifice  from  one  chamber  to  another,  and  the  viscosity  of  the  oil 
creates the resistance to flow. 
After  looking  at  all  of  the  different  designs  for  suspension  systems,  a  4‐bar  suspension  system  was 
chosen  because  it  prevents  a  lot  of  “kick‐up”  when  compared  to  other  configurations,  and  it  has  a 
relatively compact installation design. Specifically, a Satchell Link was chosen, because the roll center 
could be lowered while using a minimum amount of space. After adjusting the geometry of a Satchell 
Link  suspension  within  the  existing  envelope  available  near  the  wheel  assemblies,  the  configuration 
shown  in  Figure  9  was  developed.  This  suspension  system  will  work  better  than  the  current  design 
without any tuning of the suspension system, however, one of the goals of this design was to maximize 
the  comfort  level  for  the  guests  experiencing  the  attraction.  Therefore,  new  technologies  were 
investigated  in  order  to  provide  the  most  comfortable  experience  to  the  widest  audience  available. 
Active  and  semi‐active  suspension  systems  are  becoming  very  popular  because  they  are  able  to 
overcome the trade‐off between comfort and handling.  
12 | P a g e  
 
 
Figure 9. The analysis of the Satchell Link suspension design when added to one of the wheel assemblies.
After  a  significant  analysis  between  the  two  technologies,  it  was  decided  that  a  semi‐active  dynamic 
suspension  could  be  easily  implemented.  Accelerometers  will  be  installed  on  the  sprung  and  unsprung 
portion of the vehicle and potentiometers that can measure the travel of the suspension will also be installed. 
The damping and spring preload can then be adjusted based on the riding scenario. Servo motors would be 
too slow to make the adjustments to a sensed disturbance, so fast‐moving solenoids will be utilized to quickly 
alter  the  oil  flow  though  dampers.  This  will  allow  the  vehicle  to  be  perfectly  damped  depending  on  the 
situation. The other advantage that this design has over a standard vehicle suspension is that the track the 
vehicle is on is not completely random and will not regularly change. Therefore, the entire track can allow the 
solenoid responses to be “scripted” with the only thing changing being the passenger load. A model can be 
Material Selection:
Upper Links Lower Links
Outside Diameter 1.500 in Outside Diameter 1.750 in
Wall Thickness 0.120 in Wall Thickness 0.188 in
Material Used Steel 1018 Material Used Steel 4130T
Rod End Rated Load 32,000 lb Rod End Rated Load 55,000 lb
Modulus of Elasticity 29,000,000 psi Modulus of Elasticity 29,700,000 psi
Yield Strength 50,000 psi Yield Strength 110,000 psi
Density 0.2840 lbm/in^3 Density 0.2840 lbm/in^3
Moment of Inertia 0.125 in^4 Moment of Inertia 0.285 in^4
Area 0.520 in^2 Area 0.923 in^2
Pyield 26,012 lb Pyield 101,480 lb
Pbuckling 271,515 lb Pbuckling 351,184 lb
Pbending 2,901 lb Pbending 9,299 lb
Link Length 11.4690 in Link Length 15.4353 in
Link Weight 1.69 lb Link Weight 4.04 lb
Link Force -14 lb (Compression) Link Force -841 lb (Compression)
F.S. Yield -1,909.36 (link stretching) F.S. Yield 120.62 (link compressing)
F.S. Buckling -19,929.75 (link buckling under braking) F.S. Buckling 417.41 (link buckling under acceleration)
F.S. Bending 4.84 (somewhat irrelevant for an UPPER link) F.S. Bending 15.50 (link bending w/ 1/2 the vehicle weight on it)
F.S. Rod End -2,348.86 (rod end breaking) F.S. Rod End 65.37 (rod end breaking)
13 | P a g e  
 
developed  by  instrumenting  each  of  the  passenger  seats  and  having  a  “dummy  load”  that  will  place  the 
Center of Gravity at a different location on the ride vehicle. After instrumenting a handful of different loading 
scenarios, including the most extreme cases such as a bobsled loaded with three 350 lb. passengers or one 
filled with two 35 lb. children and a petite 100 lb. adult, any loads that are between the instrumented cases 
can be interpolated to achieve a comfortable response to the attraction. Therefore, with this system, even a 
classic roller coaster can receive an upgrade in ride quality, and for the Matterhorn Bobsleds in particular, the 
theming can even be improved. 
E. UPDATED MATTERHORN BOBSLED DESIGN 
The new design of the Matterhorn Ride Vehicle improves upon quite a few of the features of the existing 
ride vehicle, including keeping the individual bucket seats. With the new design in particular, the seats 
were designed to be able to be separated from the chassis of the ride vehicle, allowing the seats to be 
replaced individually for maintenance reasons. The seats are attached to the chassis with steel rails that 
fasten directly to the vehicle chassis as shown in Figure 10. Seatbelts are not included directly into the 
seat design, and instead interface with the seats by fitting up through the steel rails on either side of the 
seat. As part of ASTM F2291, seatbelts are required to have a manual override that allows them to be 
unlocked during an emergency situation. By including the seatbelts with the chassis, a ride operator will 
be able to unlock all three seatbelts from outside the ride vehicle. 
 
Figure 10. A picture depicting the updated Matterhorn ride vehicle bucket seat design. 
14 | P a g e  
 
With the seats slightly elevated, not only are the seats more ergonomic, but it allows for natural sitting 
for the passenger sitting in the seat behind it by allowing their feet to pass under the seat. The seats are 
designed specifically to be able to fit individuals up to 6’ 5” in height, as shown in Figure 11, which was 
chosen because it is the 99th
 percentile of the population. For individuals taller than this, the seats were 
narrowed to open up aisles on either side of the seats to provide even more leg room for the middle and 
rear seats. A portion of the rear of the vehicle was also removed to allow the rear seat to sit further back 
in the ride vehicle. The seats were also designed to allow children to comfortable be seated on the ride. 
 
Figure 11. A model showing a 6’ 5”, 99
th
 percentile male sitting in the updated Matterhorn Ride vehicle. 
 
Figure 12. An isometric view of the updated Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
15 | P a g e  
 
The underside of the vehicle shown in Figure 13 shows the integration of the Satchell Link Suspension 
system,  along  with  the  electronics  compartment  that  has  also  been  integrated  into  the  chassis.  The 
electronics compartment will house the signal conditioners for the suspension sensors, as well as the 
onboard computer that will set the scripting for the damping parameters and communicate to the ride 
controller  computer  to  confirm  position  along  the  track  and  verify  a  safe  ride  through.  To  remain 
compatible with the track, the wheel assemblies remain largely unchanged from before. More images of 
the final design offering different perspectives are included in Figures 14‐17. 
 
Figure 13. An underside view of the vehicle showing the Satchell Link semi‐active suspension design and other important 
components. 
 
Figure 14. Front view of the newly designed Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
16 | P a g e  
 
 
Figure 15. Top view of the newly designed Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
 
Figure 16. Side view of the newly designed Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
The final design accomplishes all of the goals that were set for this design process, including adding a 
suspension  system  that  allows  for  guests  35‐inches  and  taller  to  be  able  to  comfortably  ride  this 
attraction. New technology is included as part of the attraction to allow for variable damping in the 
suspension  for  an  optimized  amount  of  ride  quality  regardless  of  the  loading  of  the  vehicle  and  the 
resultant location of the center of gravity. The new seat design allows for a combination of increased 
ergonomics and increased leg room to be able to enjoy the attraction, and all of the existing features 
that were required in order to remain compatible with the current Matterhorn track are still part of the 
design. The design presented will allow guests to better enjoy the theme and story of this classic ride. 
17 | P a g e  
 
 
Figure 17. An image depicting the assembled Matterhorn ride vehicle with six 6’ 5” passengers. 
F. FUTURE WORK 
It was decided that the semi‐active suspension system was the best possible option for the existing ride 
vehicle, however, if a significant overhaul to the Matterhorn track and technology were made, the best 
candidate for the ride vehicle would be a fully active hydraulic suspension as shown in Figure 18. This 
would  require  that  in  addition  to  all  of  the  existing  sensors  added  for  the  semi‐active  suspension,  a 
hydraulic fluid reservoir and filter would have to be added to the ride vehicle, as well as hydraulic pumps 
and hoses that would create a hydraulic network connecting the hydraulic reservoir to the suspension 
spring‐dampers located at the four corners of the ride vehicle. With this system, in addition to “scripting” 
the ride experience for comfort, the Matterhorn Bobsled would be able to be fully controlled by the 
suspension system and its controller. This means that the Bobsled could feel like it is floating on fresh 
snow powder, and gently lean into turns for the most realistic simulation possible. This solution would 
be  the  most  expensive and would be the  most difficult  to implement;  however, it would  be able  to 
provide the best experience overall. 
 
Figure 18. (a) A quarter model of a passive suspension. (b) A quarter model of the semi‐active suspension designed. (c) A quarter 
model of the fully‐active hydraulic suspension proposed for future work 
18 | P a g e  
 
V. DESIGN OF AN ORIGINAL RIDE VEHICLE 
Looking at the most recent attractions that have opened within the last five years, it is evident that the 
most popular attractions are the most immersive. For example, the Radiator Springs Racers attraction in 
Disney’s  California  Adventure  Park  utilizes  show  scenes  combined  with  animatronics  to  recreate  the 
environments shown in the popular Cars movies as shown in Figure 19. This attraction is located in a 
themed portion of the park that also recreates the environments from the Cars movies.  
 
Figure 19. A show scene and the ride vehicle from Radiator Springs Racers in Disney’s California Adventure theme park. 
Universal Studios has also seen a lot of success recreating the environments from the Harry Potter films 
in their Orlando theme parks with themed portions of the parks as well as immersive attractions such as 
the Harry Potter and the Forbidden Journey attraction in the Islands of Adventure theme park shown in 
Figure 20. 
 
Figure 20. Ride loading area for Harry Potter and the Forbidden Journey at Universal Studios Islands of Adventure Park. 
19 | P a g e  
 
An extensive patent search was also completed in order to accomplish the goal of creating an original 
theme  park  ride  vehicle.  A  select  number  of  related  patents  are  documented  in  Appendix  A  of  this 
document. 
Ultimately, a suspended ride vehicle on a track that allows for motion simulation was chosen because it 
allows  for  the  most  versatile  use  in  multiple  theme  parks.  The  following  sections  outline  the  design 
decisions  made  for  the  original  ride  vehicle  and  how  it  could  be  implemented  into  a  theme  park 
attraction.  
A. RIDE VEHICLE CONCEPT 
Motion simulators are very common in theme parks today, because they allow attractions to be built 
utilizing a fraction of the amount of space that ride vehicles on a track utilize. However, there are a 
significant number of guests that experience called Simulator Sickness when riding a motion simulator. 
Simulator Sickness occurs when the body senses discrepancies between its perceived motion and its 
actual  motion.  The  ride  vehicle  shown  in  Figure  21  is  intended  to  be  a  smooth  and  subtle  motion 
simulator that is able to be controlled on a track with a Dual Sided Linear Induction Motor (DLIM). The 
DLIM  allows  for  the  vehicle  to  be  driven  forward  or  backward  depending  on  the  frequency  that  the 
induction loops are turned off and on. The vehicle is not intended to be “launched” utilizing the DLIM 
like many roller coasters are. Instead, the DLIM is utilized for a controlled and steady pace throughout 
the ride.  
 
Figure 21. Original ride vehicle design concept. 
20 | P a g e  
 
As shown in Figure 22, the suspended chassis is able to tilt forward and backward by controlling two 
linear actuators that apply a moment couple about the vehicle central pivot. Above the central pivot, a 
large turntable allows for the ride vehicle to rotate up to 360‐degrees. Welded Aluminum tubing is the 
primary material utilized in the chassis because it is lightweight, some tempers are able to be formed 
easily, and it is inexpensive and readily available.  
Another feature shown in Figure 22 is the decorative shroud. The decorative shroud obstructs the view 
of both the ride vehicle and track from riders and is also able to contain cooling fans to continuously 
blow  air  on  guests  to  aid  in  preventing  Simulator  Sickness.    Lighting  can  also  be  installed  in  the 
decorative  shroud  to  assist  with  guest  loading  and  unloading,  as  well  as  lighting  in  the  case  of  a 
breakdown of the ride. The Center of Gravity (CG) of the ride vehicle was also intentionally placed just 
behind the pivot point to always allow for the ride vehicle to tilt slightly backwards instead of forwards if 
the ride vehicle happened to lose power while it was operating regardless of how it is loaded. 
 
Figure 22. Motion control mechanisms of the ride vehicle. 
21 | P a g e  
 
In order to cut down on the overall weight of the vehicle, a high tensile (HT) Nylon mesh netting (Type 
TP21) was utilized to be able to support the individual riders on the ride vehicle. A sample of the mesh 
netting is shown in Figure 23. The mesh netting is rated for a 325 lb. individual, and weighs 10.2 ounces 
per square yard. The total weight of the mesh netting is 4.78 lb. once installed on the ride vehicle. 
 
Figure 23. Nylon mesh netting sample. 
The overall structure of the ride vehicle chassis is shown in Figure 24, which is used to create the finite 
element analysis (FEA) model of the ride vehicle. 
 
Figure 24. The aluminum structure (skeleton) of the ride vehicle, which is converted to a mesh for a Finite Element Analysis. 
22 | P a g e  
 
B. FUTURE WORK 
The original intention with this design was to allow full motion control of the ride vehicle. The attraction 
presented is  not able to roll, which is  fairly important for a simulation experience. After researching 
different ways to accomplish this, the two most attractive solutions were to add another motor that 
allowed  for  rolling  articulation  or  to  add  five  more  electric  linear  actuators  to  be  able  to  create  an 
inverted Stuart Platform. Adding another motor would have added a lot of complexity to the model, as 
well as added a significant amount of weight to the overall structure of the chassis. Adding the Stuart 
Platform would have added even more complexity to the model, although it would not have the same 
weight consequences as adding another motor would. Both solutions also present issues if power is lost 
while  guests  are  in  the  ride  vehicle.  A  significantly  more  complicated  chassis  would  have  to  be 
developed in order to allow for the guests to remain comfortable when the power is lost. Ultimately, an 
inverted Stuart Platform would be the preferred choice of the two options because of the weight savings 
afforded. An image of a Stuart Platform is shown in Figure 26. 
 
Figure 25. Image of a Stuart Platform being used to tilt in a full 360‐degree. 
Although it is a little out of scope for this project, a concept of how  spherical projection could work for 
this ride vehicle is shown  in Figure 25. The concept prevents the ride vehicle from crossing into the 
direct path of the projection on spherical walls. 
 
Figure 26. Spherical Projection Concept 
23 | P a g e  
 
VI. ANALYSIS OF AN ORIGINAL RIDE VEHICLE 
The  design  intent  for  this  ride  vehicle  is  to  allow  as  many  different  people  to  be  able  to  ride  it  as 
possible. This is accomplished by designing the maximum load for the chassis to be able to seat six 99th
 
percentile males—each weighing 250 lb. With this in mind, the total weight of the chassis including the 
passengers is 2114 lb. As previously mentioned, the chassis is designed to have the center of gravity 
behind the central pivot to prevent the chassis from tipping forward in the event of a loss of power. This 
holds true regardless of the loading of the chassis. 
Figure 27. The maximum chassis load with the CG shown as a magenta reference frame. 
The  following  section  of  the  report  provides  stress  analysis  and  margin  of  safety  calculations  for 
expected load cases for the original ride vehicle. Analysis methods in this report use finite element (FE) 
models to calculate stress as a result of the various load cases. The intent of this report is to provide 
analysis substantiation for the ride vehicle chassis, which will be subjected to the most stringent load 
cases. 
24 | P a g e  
 
A. FINITE ELEMENT (FE) MODEL 
The finite element model of the original ride vehicle consists of dimensionally reduced meshing elements 
throughout, representing all contributing mass, inertia, and stiffness of the ride vehicle. Dimensionally 
reduced  elements  essentially  comprise  mesh  elements  that  possess  one  less  dimension  than  the 
structural components that they represent. For mesh elements like fasteners, 2‐D beam elements are 
used. A beam element has two nodes with a line in between. The line that ties the two points together is 
the reduced dimension element, as it’s infinitely small in diameter, yet it contains the cross‐sectional 
characteristics of the structural member it represents (as calculated numeric constants). The same holds 
true for large, flat sections of machined parts or sheet metal. Plate elements are employed to represent 
those  metal  pieces;  the  net  shape,  curvature  and  contributing  structural  details  are  captured  with 
infinitely thin surfaces that have thickness applied as numeric constant once more. This is a significant 
enabler for the analysis as it utilizes roughly 1/5 the number of nodes and elements of a fully‐meshed 
tetrahedral  model  (thus  reducing  run  times),  and  allows  the  modification  of  the  design  (such  as 
increasing or decreasing machined thickness, sheet metal gage or fastener size) without having to re‐
mesh.  Likewise,  the  reduced  overall  amount  of  nodes  and  elements  allows  for  a  complete  assembly 
model to be analyzed with one analysis, adding to the fidelity and accuracy of the product. Each element 
is also defined with a material and a property. Properties allow for the same material to be used for 
different element types, and help define various element parameters. With plate elements, the plate 
thickness is a numeric constant that is assigned within the property state. For mass elements, a specific 
mass is assigned. For beam elements, the material and cross sectional properties are assigned. 
As shown in Figure 28, the FE model captures all structural components with simplified geometry. Figure 
29 shows a representation of the FE model with the thickness and cross sectional areas of dimensionally 
reduced elements shown. The FE model’s center of gravity (CG) is located is within .15” of the 3D CAD 
models CG location. This is important, because the expected load cases are all body‐load cases—where 
the chassis acts as the primary inertial reference frame and any dynamics that act on it externally are 
able to affect the reference frame through accelerations. The accelerations are applied on a per element 
basis which results in forces being applied to elemental nodes. A great example of this is a constant 
gravitational acceleration acting downward. The only external forces that are applied to the system are 
utilized  to  represent  the  controlling  forces  from  the  linear‐actuators  utilized  to  tilt  the  chassis  while 
controlling it. 
 
Figure 28. Comparison of the 3‐D CAD to the Dimensionally reduced Finite Element (FE) Model. 
25 | P a g e  
 
 
Figure 29. The Finite Element (FE) Model with thicknesses represented. 
B. MODEL ELEMENTS 
Figure 28 shows the FE model of the ride vehicle chassis, which is comprised almost entirely out of plate 
elements.  Plate  elements  are  able  to  be  used  primarily  because  the  entire  chassis  design  takes 
advantage of structural tubing and machined thin walled structures. The 99th
 percentile passengers that 
are on the ride vehicle are able to be modeled as mass elements. These mass elements possess the mass 
and inertial properties of the corresponding passengers, but are represented in the analysis as a single 
node collocated at the component’s geometric CG. As shown in Figure 30, these single‐node elements 
tie into parent FE structure via rigid elements at the same locations where actual fasteners are used to 
secure  the  components  in  place.  These  rigid  mounting  points  are,  in  themselves,  conservative  when 
used for the static analysis, because they do not account for any internal damping that would occur 
when transferring loads from the CG to the structure. The handles for the chassis are modeled utilizing 
beam elements, also shown in Figure 30. The various element counts and their descriptions are shown 
in Table 1 for reference. 
 
Figure 30. Mass elements being shown directly tied to the structure with rigid elements. 
26 | P a g e  
 
Table 1. Types of FE Elements Used to Model the Chassis. 
 
C. MODEL MATERIAL 
All of the elements within the FE model have assigned material properties. The material used in the 
model is 6061‐T651 aluminum, which is an isotropic material with the material properties defined in 
Table 2. A more detailed summary of material properties is included Appendix C. 
Table 2. Isotropic Material Properties‐Used in the model for beam elements of varying cross‐sections and plate elements of 
varying thicknesses. 
 
For isotropic materials, the yield stress,  , and ultimate stress,  , determine the allowable limit of 
the material. More details regarding the material limits of the materials and calculated margins can be 
found within the individual load case sections of this report. 
Fatigue is also an important topic to cover in this analysis, because the load cases presented will occur 
hundreds or even thousands of times daily. The fatigue curves for 6061‐T6 aluminum are included in 
Figure 31 to allow a comparison between the results of the analysis and the fatigue life of the chassis. 
Although  aluminum  is  a  light  structural  material,  it  generally  has  very  low  fatigue  strength  when 
compared to other structural materials such as steel. An unnotched curve without a stress concentration 
factor  is  able  to  be  utilized  because  FEA  accurately  calculates  stresses  at  specific  locations  where 
stresses may be concentrated.  
 
Figure 31. The Unnotched 6061‐T6 aluminum S/N curve from MMPDS‐8. 
Element Type Element Count Description
Beam, Linear 49 Used to model fasteners or long structures with constant cross sectional area
Plate, Linear 124342 Used to model simple isotropic geometry‐‐efficient use cuts down element count
Mass 6 Used to accurately represent the mass and inertia of nonstructural objects
Rigid 8 Used to secure mass elements to the corresponding structures that bear their load.
Material Alloy Ftu (ksi) Fty (ksi) E (Msi) ν ρ (lb/in^3) REF.
Aluminum 6061‐T651 42 35 9.9 0.33 0.098 MMPDS‐08
27 | P a g e  
 
D. FINITE ELEMENT MODEL QUALITY 
The choices of the type of element, as well as the quality of the elements are very important when using 
Finite Element methods to calculate accurate results. Misuse of elements can dramatically change 
results; therefore, a conservative approach should always be used. In creating a model, the element 
quality should always be checked to confirm that the results provided by the Finite Element code are 
accurate. A significant amount of time was spent to verify that the mesh quality was appropriate, and as 
shown in Figure 32, the mesh quality of the Finite Element model is excellent. A more detailed 
discussion of element quality is included in Appendix B of this report.  
 
 
Figure 32. The Jacobian contoured on the mesh of the Finite Element model, showing that all of the elements have a Jacobian of 
less than 0.6. 
28 | P a g e  
 
E. CONSTRAINTS OF THE MODEL 
In order to constrain the model and allow for the stiffness matrix of the Finite Element model to be 
invertible, the FE model must be properly constrained in its degrees of freedom. For this model, the 
internal bearing surfaces were constrained translationally and rotationally about its axis as shown in 
Figure 33. 
 
Figure 33. The two internal bearing surfaces where the constraints are applied to prevent axial translation and rotation. 
F. VIBRATIONAL MODES OF THE MODEL 
The vibrational modes or natural frequencies of the model are an important consideration during the 
design  process,  especially  when  designing  around  any  motors  or  other  machinery.  If  a  structure  is 
excited by an oscillatory input that is very close to its dominant natural frequencies, it is possible for the 
entire structure to fail catastrophically. Finite Element analysis is an excellent method of predicting at 
what frequencies vibrational modes will occur, as well as what the mode shapes look like. Being able to 
see the mode shapes during the design process is a significant advantage, because it allows the designer 
to stiffen up the structure in problem areas if necessary. The first natural frequencies of the model are 
shown in Table 3. After observing the mode shapes of the model, the first natural frequency in Table 3 
can be discounted because of the loading conditions and chosen constraints. The first natural frequency 
shown  at  5.07  Hz  corresponds  to  the  rotation  of  the  chassis  about  the  axis  of  its  bearings,  which 
currently has constraints applied to it for this analysis. This rotation about the axis should correspond to 
a rigid body mode (natural frequency = 0 Hz) being controlled by the linear actuators of the system. The 
linear actuators are represented as forces in this analysis, and are therefore not accurately represented 
29 | P a g e  
 
in a vibrational modes analysis, which is a function directly related to the mass and the stiffness of the 
model. The subsequent mode shapes correspond to various “twistings” of the ride vehicle chassis, as 
shown in Figure 34 which shows the exaggerated deflections of the second and third mode shapes. It is 
important to note that the natural frequencies of the system can also be utilized to perform random 
vibration analysis or sinusoidal response analysis with the Finite Element model. 
Table 3. The natural frequencies of the Finite Element model. 
 
 
 
Figure 34. The second and third mode shapes plotted with their corresponding strain energies. 
Mode Number Frequency [Hz]
1 5.07
2 8.44
3 22.85
4 26.76
5 50.77
6 75.43
7 81.87
8 95.75
9 113.11
10 120.65
30 | P a g e  
 
G. FIRST LOAD CASE OF THE MODEL 
The  first  load  case  analyzed  corresponds  to  a  standard  fully  loaded  chassis  with  the  six  250  lb. 
passengers with a factor of safety of 1.5. This load corresponds to six 375 lb. passengers. The von Mises 
stress results, as well as an exaggerated deflection of the model is shown in Figure 35. Knowing that this 
type of load is dynamic (guests loading and unloading), the maximum stress must be compared to the 
fatigue stress chart in Figure 31. Looking at the chart, it is evident that the fully‐reversing cycling has a 
run out of roughly 12,000 psi. This corresponds to a safety margin of 0.18, showing that the design is 
suitable for this load condition. 
 
 
Figure 35. The von Mises stress [psi] contour plot results after the first load condition is applied. 
31 | P a g e  
 
H. SECOND LOAD CASE OF THE MODEL 
The  second  load  case  analyzed  corresponds  to  a  standard  fully  loaded  chassis  with  the  six  250  lb. 
passengers with a rotational acceleration of 8π rad/s2
. This load corresponds to the maximum rotational 
acceleration/deceleration allowed by the structure to stay within the fatigue limits. It is important to 
note that even though this load corresponds to a margin of safety of 0.16 for a fully reversing load with 
run out of 12000 psi, it also corresponds to a linear acceleration of 3.8g’s for the outside passengers. 
Therefore,  this  load  case  is  chosen  only  as  a  theoretical  limit  that  could  be  applied  as  a  rotational 
acceleration due to an applied torque to the system. This load would make even the hardiest of guests 
uncomfortable  and  likely  sick.  Even  though  this  rotational  acceleration  will  likely  never  be  used  in 
practice, the analysis shows that the current design is suitable for the load condition. The von Mises 
stress contour plot results are shown in Figure 36. 
 
 
Figure 36. The von Mises stress [psi] contour plot results after the second load condition is applied. 
32 | P a g e  
 
I. THIRD LOAD CASE OF THE MODEL 
The  third  and  final  load  case  analyzed  corresponds  to  a  fully  loaded  chassis  with  the  six  250  lb. 
passengers  with  a  factor  of  safety  of  3  combined  with  the  necessary  control  forces  provided  by  the 
linear actuators. The linear actuators are required to provide the necessary forces to create the moment 
couple required to keep the chassis in its maximum tilted position. The force required to be applied by 
the  linear  actuators  is  2013  lb.  in  opposing  directions.    A  large  factor  of  safety  was  chosen  for  this 
situation,  because  of  the  importance  of  the  stabilizing  actuator  forces.  Even  though  the  chassis  is 
designed to “fail safely” in the event of a loss of power, if the linear actuator causes a structural failure, 
the safety of the passengers is at risk. The actuator forces will provide dynamic loading to the chassis, 
therefore, the maximum stress must be compared to the fatigue stress chart in Figure 31. The maximum 
stress for this load case is 10674 psi as shown in Figure 37, which corresponds to a margin of safety of 
0.11. The analysis shows that the current design is suitable for the expected load conditions. 
 
 
Figure 37.The von Mises stress [psi] contour plot results after the third load condition is applied. 
33 | P a g e  
 
 
VII. CONCLUSIONS 
An  introduction  to  Themed  Entertainment  Design  has  been  presented  through  research  into  current 
industry standards, a redesign of an existing theme park ride vehicle, and through the original research, 
design, and analysis of an original theme park ride vehicle. It is the intention of this paper to properly 
display the broad knowledge base required to design a theme park attraction, as well as the depth of 
knowledge  required  to  support  the  design  of  theme  park  attractions.  During  the  process  of  this 
investigation, there were numerous difficulties, including numerous changes to the designs of both ride 
vehicles. Many of the original design concepts are vastly different than the original concepts planned, 
such as the fully‐active suspension for the Matterhorn ride vehicle concept and the fully articulating ride 
vehicle  concepts  presented  in  the  future  work  sections  of  this  report.  The  detailed  FEA  analysis  has 
proven the feasibility of the original theme park ride vehicle with a significant amount of margin when 
compared with the dynamic loading cases of the chassis and the fatigue life of the chosen materials. The 
analysis was completed assuming that six 99th
‐percentile males were the passengers, which allows for a 
significant percentage of the population to be able to experience the original ride vehicle design. Now 
that the original ride vehicle structure is proven, it can be integrated into a Theme Park Attraction. 
VIII. SOURCES 
https://www.library.ca.gov/CRB/97/12/97012lr.html 
http://www.iaapa.org/safety‐and‐advocacy/safety/amusement‐ride‐safety/astm‐standards 
http://www.astm.org/COMMITTEE/F24.htm 
http://www.iaapa.org/safety‐and‐advocacy/safety/amusement‐ride‐safety/regulations‐standards 
http://www.vibrationmounts.com/WireRopeIsolators.htm 
http://www.carbibles.com/suspension_bible_pg2.html 
34 | P a g e  
 
APPENDIX A – PATENTS RESEARCHED FOR THIS PROJECT 
A. PATENTS RELATED TO ORIGINAL THEME PARK DESIGN 
1. Theme Park Ride with Ride‐Through Screen System 
a) https://www.google.com/patents/US7905790?dq=theme+park+ride+v
ehicles&hl=en&sa=X&ved=0CBwQ6AEwADgKahUKEwjSup3TibbHAhXHTIg
KHQ2MAH8
2. Dynamic Ride Vehicle 
a) https://www.google.com/patents/US5623878
3. Amusement Apparatus and Method 
a) https://www.google.com/patents/US6354954?dq=suspended+theme
+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CE0Q6AEwBzgUahUKEwj2yoaMk
LbHAhUMl4gKHV0yCBw
4. Amusement Ride 
a) https://www.google.com/patents/US6220171?dq=suspended+theme
+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CEYQ6AEwBjgUahUKEwj2yoaMk
LbHAhUMl4gKHV0yCBw
5. Ride Vehicle Control System 
a) https://www.google.com/patents/US5473990?dq=suspended+theme
+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CBwQ6AEwADgeahUKEwj7gdTK
k7bHAhXFlYgKHSepA90  
6. Flying Roller Coaster With Vertical Load and Launch 
a) https://www.google.com/patents/US20140165868?dq=suspended+th
eme+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CCoQ6AEwAjgoahUKEwj2isG
cmbbHAhWIn4AKHY36Bg0
7. Motion‐based Attraction 
a) https://www.google.com/patents/US8137205?dq=suspended+theme
+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CCMQ6AEwATg8ahUKEwic78CT
mrbHAhVFnYAKHcqPC2o
8. Amusement Ride 
a) https://www.google.com/patents/US7971537?dq=suspended+theme
+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CDgQ6AEwBDg8ahUKEwic78CT
mrbHAhVFnYAKHcqPC2o
9. Motion Simulator Theater With Suspended Seating 
35 | P a g e  
 
a) https://www.google.com/patents/WO2011106488A1?cl=en&dq=susp
ended+theme+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CEYQ6AEwBjiWAW
oVChMI24Dyip-2xwIV0fqACh00ng0y
10. Roller Coaster with Articulable Seat Backs 
a) https://www.google.com/patents/US8490550?dq=motion+coaster&hl
=en&sa=X&ved=0CD8Q6AEwBTgeahUKEwiJmN2RorbHAhUMmYAKHRf7B
kY
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
36 | P a g e  
 
APPENDIX B – DEFINITION OF VON MISES STRESSES, MARGIN OF SAFETY, 
AND MESH QUALITY 
Intentionally,  all  components  and  assemblies  of  the  analyses  presented  herein  have  been 
designed  such  that  peak  stresses  lie  within  the  linear  portion  of  the  elastic  regime  of  the 
component’s  material  properties.  A  plot  of  the  stress/strain  curve  is  shown  in  Figure  A‐2. 
Insufficient strain energy exists in every load case to induce plastic deformation. By doing so, 
the linear finite element analysis approach is valid as a tool for forecasting the integrity of an 
assembly undergoing emergency landing load accelerations.  
The analysis approach allows the von Mises stress criterion to be employed, the main stress 
scalar presented within this document. Part of the plasticity theory, von Mises stress is a scalar, 
‘maximum stress’ value found with ductile materials, such as aluminum and steel. By definition, 
a  material  is  said  to  start  yielding  when  its  von  Mises  stress  reaches  the  yield  stress  of  the 
material. von Mises stress takes into account multi‐axial loading and structural displacement 
response. The two images of Figure A‐1 illustrate this; when stress values in any axis approach 
the limits of the cylinder of the von Mises surface, yielding occurs. 
Figure Error! No text of specified style in document.‐1. von Mises Stress in 3‐d Cartesian Coordinate Space 
Note: von Mises Stress in 3‐d Cartesian Coordinate Space is a cylinder about the hydrostatic stress axis 
(A) and a circle capturing the more‐conservative maximum shear (Tresca) stress in 2d space (B). 
von Mises stress, συ, under multi‐axial loading conditions can be defined as: 
 
     
2
2
12
2
33
2
21 


  
In the case of pure shear stress, σ12 = σ12≠ 0, while all other stresses, σ12=0, von Mises criterion
becomes:
A B
37 | P a g e  
 
3
12
y
k

 
At the onset of yielding, the magnitude of the shear stress in pure shear, k, is 1.7 ( 3 ) times
lower than the tensile stress of the case of pure tensions. In the case of plane stress
(Figure A-1[B]), where σ3=0, the von Mises criterion becomes:
222
221
2
1 3 yk  
This equation represents an ellipse in the X-Y plane of Figure A-1(B). Typically, von Mises
stresses found within the analysis models comprise some combination of shear and tensile
stresses. As such, the perimeter line about the X-Y stress plot is used as the linear yield point for
all materials in these analyses.
An advantage of utilizing von Mises stress is that a direct correlation between material properties
and loading can be derived based on material yield (and corresponding ultimate) alone, thus
alleviating the need for tensile or shear yield values. This simplification is leveraged in the
generation of a margin of safety (MS); a value that is based on material conditions. MS is defined
as:
1
tu
tu
f
F
MS
Where Ftu is allowable ultimate stress and ftu is the factor of safety on the limit load:
tltu ffFoS 5.1  
 
Figure Error! No text of specified style in document.‐2. Stress versus Strain Curve for Aluminum Alloy 
It should be noted that material properties for materials comprising this analysis were taken from
Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS-8), with specific
materials cited in Appendix C. As long as the margin of safety is 0 or positive, no detrimental
permanent deformation will result, and the analysis entities meet airworthiness requirements.
38 | P a g e  
 
FEA mesh quality was a prime consideration for the generation of accurate analyses results. A
reason for using a robust, established auto-meshing tool in the FEA software such as
FEMAP/Nastran is that the user can generate sound element meshes. All elements underwent a
distortion check; a modified scale-invariant check based solely on geometric parameters. These
parameters included:
 Aspect ratio. Length to height ratio (maximum allowable ratio of 10:1).
 Taper. Similar to aspect ratio for trapezoidal shapes (max. ratio of 10:1).
 Alternate Taper. Divides the Q-4 element into two triangles, looking at triangular taper
ratio (0.5:1 max allowable).
 Internal angles. Deviation from 90° (rhombus shape investigation, 30° max allowable
angle).
 Warping. Investigates the planarity of the element faces (5° max warping angle).
 Jacobian. Comparison of element shape to ideal shape.
Within the mesh, all elements are evaluated against the maximum values of the aforementioned
parameters. For those elements that did not pass the check, local re-meshing, often at individual
elements, occurred. Once the entire mesh met the criteria, the model was ready for analysis.
Consider the Quad-4 shown in Figure Error! No text of specified style in document.-3. The
level to which mesh element geometry strays from the ‘ideal shape’ will impact its strain
response.
 
Figure Error! No text of specified style in document.‐3. Four‐point Quadratic (Q‐4) Element 
To that end, the intent is to minimize divergent element shapes. In terms of the Jacobian distortion 
check, the numerical integration of the 2‐d, Quad‐4 plate element, after the chain rule, gives:  
[1]
With the Jacobian being
[2]



















































y
x
yy
yx








 























yy
yx
J
39 | P a g e  
 
The Jacobian, in modified form, is a measure of the amount of difference between the ideal
shape and the actual element shape and is key in the distortion check. The modified Jacobian
provides a normalized constant ranging from 0, for optimal shape, to 1, for the worst-case shape.
Large variations of the determinant of the Jacobian translate into numerical stiffening of the
element. A comparison of the two triangle elements shown in Figure Error! No text of specified
style in document.-4 illustrates the difference between the ‘ideal’ element shape (left side)
versus a less desirable, high aspect ratio element shape (right side); note the values of the
Jacobian.
Figure Error! No text of specified style in document.‐4. Jacobian Distortion Check 
Comparison of Meshed Elements to Ideally Shaped Elements
 
40 | P a g e  
 
APPENDIX C – MATERIAL PROPERTIES 
 
Figure 38. MMPDS‐08 Table 3.6.20(b2), Design Mechanical and Physical Properties of 6061 Aluminum Alloy Plate. 
 
 
 
 
 
 
 
41 | P a g e  
 
APPLICABLE DOCUMENTS‐DOUBLE CLICK TO OPEN 
ASTM F2291—Standard Practice for Design of Amusement Rides and Devices 
 
   

Weitere ähnliche Inhalte

Ähnlich wie Christopher_Williams_Theme_Park_Design_Final

MPAA Economic Impact Report 2007
MPAA Economic Impact Report 2007MPAA Economic Impact Report 2007
MPAA Economic Impact Report 2007reelestates
 
Film 4 and trainspotting
Film 4 and trainspottingFilm 4 and trainspotting
Film 4 and trainspottingsparkly
 
Willie ratchford assignment_4_market analysis
Willie ratchford assignment_4_market analysisWillie ratchford assignment_4_market analysis
Willie ratchford assignment_4_market analysisWillie May
 
Hollywood narrative
Hollywood narrativeHollywood narrative
Hollywood narrativesssfcmedia
 
Manhattan Holiday Promotion
Manhattan Holiday PromotionManhattan Holiday Promotion
Manhattan Holiday PromotionAmy Schroeder
 
Caruso Entertainment Case Study
Caruso Entertainment Case StudyCaruso Entertainment Case Study
Caruso Entertainment Case StudyCarusoAffiliated
 
Advertising
AdvertisingAdvertising
Advertisingwhl1208
 
Giulia aarsman aulino - research technological developments in the film industry
Giulia aarsman aulino - research technological developments in the film industryGiulia aarsman aulino - research technological developments in the film industry
Giulia aarsman aulino - research technological developments in the film industryGiuliaAarsman
 
2012 Rolling Thunder Overview 1 Pgr 11 11
2012 Rolling Thunder Overview   1 Pgr 11 112012 Rolling Thunder Overview   1 Pgr 11 11
2012 Rolling Thunder Overview 1 Pgr 11 11Deborah J. Boyd
 
Film & audience
Film & audienceFilm & audience
Film & audiencewahabdogol
 
History of television advertisments
History of television advertismentsHistory of television advertisments
History of television advertismentsjojoycexxx
 
Media AS Revision 009 (Section B)
Media AS Revision 009 (Section B)Media AS Revision 009 (Section B)
Media AS Revision 009 (Section B)cskinner1
 
Catherine young( Films and there benefits to the nation )
Catherine young( Films and there benefits to the nation )Catherine young( Films and there benefits to the nation )
Catherine young( Films and there benefits to the nation )vivekdas123
 
Film induced tourism paper
Film induced tourism paperFilm induced tourism paper
Film induced tourism paperprasannasaai
 
Cooking Channel Marketing Project
Cooking Channel Marketing ProjectCooking Channel Marketing Project
Cooking Channel Marketing ProjectJennifer Hoffmann
 
Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them
Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them
Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them Steph2000
 
Advancements in Technology since the 1930s
Advancements in Technology since the 1930sAdvancements in Technology since the 1930s
Advancements in Technology since the 1930sAdanma
 
Advancements in Technology since the 1930's
Advancements in Technology since the 1930'sAdvancements in Technology since the 1930's
Advancements in Technology since the 1930'sAdanma
 

Ähnlich wie Christopher_Williams_Theme_Park_Design_Final (20)

CELEBRATEN'
CELEBRATEN'CELEBRATEN'
CELEBRATEN'
 
MPAA Economic Impact Report 2007
MPAA Economic Impact Report 2007MPAA Economic Impact Report 2007
MPAA Economic Impact Report 2007
 
Film 4 and trainspotting
Film 4 and trainspottingFilm 4 and trainspotting
Film 4 and trainspotting
 
Willie ratchford assignment_4_market analysis
Willie ratchford assignment_4_market analysisWillie ratchford assignment_4_market analysis
Willie ratchford assignment_4_market analysis
 
Hollywood narrative
Hollywood narrativeHollywood narrative
Hollywood narrative
 
Manhattan Holiday Promotion
Manhattan Holiday PromotionManhattan Holiday Promotion
Manhattan Holiday Promotion
 
Caruso Entertainment Case Study
Caruso Entertainment Case StudyCaruso Entertainment Case Study
Caruso Entertainment Case Study
 
Advertising
AdvertisingAdvertising
Advertising
 
Giulia aarsman aulino - research technological developments in the film industry
Giulia aarsman aulino - research technological developments in the film industryGiulia aarsman aulino - research technological developments in the film industry
Giulia aarsman aulino - research technological developments in the film industry
 
TC Resume
TC ResumeTC Resume
TC Resume
 
2012 Rolling Thunder Overview 1 Pgr 11 11
2012 Rolling Thunder Overview   1 Pgr 11 112012 Rolling Thunder Overview   1 Pgr 11 11
2012 Rolling Thunder Overview 1 Pgr 11 11
 
Film & audience
Film & audienceFilm & audience
Film & audience
 
History of television advertisments
History of television advertismentsHistory of television advertisments
History of television advertisments
 
Media AS Revision 009 (Section B)
Media AS Revision 009 (Section B)Media AS Revision 009 (Section B)
Media AS Revision 009 (Section B)
 
Catherine young( Films and there benefits to the nation )
Catherine young( Films and there benefits to the nation )Catherine young( Films and there benefits to the nation )
Catherine young( Films and there benefits to the nation )
 
Film induced tourism paper
Film induced tourism paperFilm induced tourism paper
Film induced tourism paper
 
Cooking Channel Marketing Project
Cooking Channel Marketing ProjectCooking Channel Marketing Project
Cooking Channel Marketing Project
 
Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them
Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them
Film case study- Fantastic Beasts and Where to Find Them
 
Advancements in Technology since the 1930s
Advancements in Technology since the 1930sAdvancements in Technology since the 1930s
Advancements in Technology since the 1930s
 
Advancements in Technology since the 1930's
Advancements in Technology since the 1930'sAdvancements in Technology since the 1930's
Advancements in Technology since the 1930's
 

Christopher_Williams_Theme_Park_Design_Final

  • 1. 1 | P a g e     Themed Entertainment Design  North Carolina State University Special Project  Department of Mechanical and Aerospace Engineering  Written By Christopher Williams  Advised by Dr. Gregory Buckner  I. INTRODUCTION  New  inventions  and  innovations  made  within  the  last  century  have  afforded  individuals  a  significant  amount of leisure time. With that new found time, people are spending a significant amount of money  entertaining themselves. The music, film, and television industries are booming with record sales almost  every  year,  and  consumers  look  towards  these  industries  as  a  form  of  escape  from  their  day‐to‐day  activities. As another form of entertainment and escape, families are using their free time and money to  vacation. Many families are taking multiple trips every year, and they are looking to travel new places  and have unforgettable experiences. Media giants such as the Walt Disney Company and NBCUniversal  are able to appeal to a wide base of these vacationers by incorporating their music, film, and television  assets into their Theme Parks. This unique type of Themed Entertainment Design allows vacationers to  experience the environments of their favorite movies and television series through rides and attractions.   A detailed investigation into these theme park rides and attractions is the main focus of this report,  which covers the current climate of the theme park industry, an investigation into the current industry  standards for theme park design, a trade study of the Disneyland Matterhorn Bobsleds ride vehicle, and  a new original concept for a theme park ride vehicle.  II. THEMED ENTERTAINMENT OVERVIEW  Themed  Entertainment  Design  has  become  a  broad  topic  that  encompasses  many  different  types  of  entertainment. Although this report focuses solely on theme park experiences, there are many themed  entertainment companies such as The Thinkwell Group and Garner Holt Productions that work to design  and create compelling exhibits for museums, unforgettable moments for live performances/events, and  exciting environments for restaurants. Even sports teams have contracted out to these companies to  design their sports stadiums to draw in fans and entertain them with the desire to keep them coming  back. Themed Entertainment Designers utilize their highly technical design skills in a creative way to  appeal to large audiences. When this attention is turned to theme park design, the newest technologies  become utilized to create the most awe‐inspiring experiences possible.  A. TYPES OF THEME PARK RIDES  All theme park rides can be classified into one or more categories listed below. For the purposes of this  report, the term “ride” is defined as a theme park experience that is able to physically move or transport  the guest. Therefore, walkthrough exhibits and standard theater showings are not included in the list  below. 
  • 2. 2 | P a g e     1. Train Ride – A traditional train ride or similar experience  2. Coaster—Motion created from the conversion from potential to kinetic energy  3. Bumper Car Vehicle—Vehicle controlled by guests  4. Water Ride/Log Ride—Floating vehicle   5. Drop/Freefall Tower—Ascending/Descending Vertical Based Track  6. Ferris wheel—Based on the design from the 1893 World Columbian Exposition  7. Motion Simulator—simulates motion through the use of accelerations  8. Dark Ride—an vehicle guided through animation, sound, and special effects  9. Omnimover/Mass Transit System—nonstop loading and unloading vehicle  10. Orbiter—a ride vehicle attached to a central support that rotates 360‐degrees    Usually, a newer theme park attraction will incorporate the latest technologies to expand on one of the  categories listed, or even combine different concepts from the different categories to create hybrid of  attractions. An example of this hybrid combination is the famous Haunted Mansion of Disney Park fame,  which combines characteristics of a classic Dark Ride with an Omnimover ride vehicle system.  III. THEME  PARK  SAFETY  –  DESIGNING  FOR  SAFETY  AND  HUMAN  FACTORS  For a brief time In the United States, there was a national government commission that oversaw theme  park safety standards. This occurred when Congress passed the Consumer Product Safety Act in 1972.  This  Act  established  the  Consumer  Product  Safety  Commission  (CPSC).  The  CPSC  held  a  broad  interpretation of their power, and believed that amusement park rides should be under their jurisdiction  as “consumer products.” The federal court system later upheld this belief when it was challenged in  court. Therefore, under the provisions of this act, the CPSC were able to regularly inspect permanent  theme park rides as well as mobile amusement rides that travel from state to state. This lasted until  1981,  when  Congress  passed  the  federal  Omnibus  Budget  Reconciliation  Act  in  1981.  One  of  the  features of this act removed the CPSC’s jurisdiction over permanent theme park attractions. Therefore,  the ability to regulate theme parks has since been left up to the state and local governments where  permanent theme parks reside.  Currently there are 44 out of the 50 states in the US that regulate theme parks. It should be noted that  the six remaining states have few if any theme parks. The most recent published findings show that as of  1986, around eighty‐percent of injuries that take place in amusement parks are caused by rider error.  The results of this research coupled with significant incidents at local theme parks caused ten different  states to adopt “rider responsibility legislation” to help protect theme parks from liability to rider error. 
  • 3. 3 | P a g e     At  the very least, most states have laws that allow amusement  parks  the  ability  to  detain and eject  anyone that is suspected of violating any theme park rules.  The overall rules and regulations that a theme park must follow varies from state to state, but some  states such as California, have little to no regulations on permanent theme parks with the exception of  making theme parks comply with local building codes. Some states have strict inspection requirements  that require inspections multiple times a year from an independent party. In addition to the state and  local government oversight, the insurance companies of theme parks are able to leverage their own  rigorous inspections on theme parks in order to provide insurance coverage.  Overall, the  theme park industry is largely self‐regulated through the standards set by the American  Society for Testing and Materials (ASTM) F‐24 Committee on Amusement Rides and Devices. The ASTM‐ 24 committee is made up of consumer advocates, government officials, amusement park operators, ride  manufacturers, and industry suppliers. The committee establishes voluntary standards on design and  manufacture,  testing,  operation,  maintenance,  inspection,  and  quality  assurance  for  the  theme  park  industry. All of the standards are reviewed regularly in order to stay current and up to date with the  latest technologies and have been adopted by thirty‐two states, as well as in countries around the world.  The standards are all published in the  ASTM Annual Book of Standards and can be found  in Section  15.02. Many of the ASTM standards are very specific, such as stating that 175 lb. shall be the assumed  weight of an adult passenger for design purposes, although there are not currently any ASTM standards  for software.  A. DESIGNING FOR SAFETY  There are four different aspects of safety to consider when designing a theme park attraction  1. Designing Rides for Safety  Designing a ride to be safe goes beyond the structural analysis of the ride, or determining if the ride will  be safe during normal operation. There should be a human factor analysis that will determine if there is  any way a rider could potentially use the ride that is unsafe, such as reaching out of the ride vehicle and  hurting themselves.  2. Manufacturing Rides for Safety  Manufacturing  the  rides  for  safety  is  determining  whether  the  ride  was  built  according  to  the  safe  design. All of the design plans been followed accordingly.  3. Maintaining Rides for Safety  Maintaining rides for safety means that all rides receive the necessary and proper maintenance in order  to continue safe operation.  4. Operating Rides for Safety  Operating  rides  for  safety  means  that  the  ride  operator  controls  the  ride  according  the  proper  maintenance requirements, and the ride operator knows and follows all passenger safety requirements  and assures that the passengers use the ride in a way that is consistent with the original designed safety  requirements. 
  • 4. 4 | P a g e     IV. REDESIGNING A CLASSIC – REDESIGN OF THE MATTERHORN BOBSLED  After  looking  at  the  various  requirements  for  theme  park  ride  vehicles,  it  was  determined  that  the  Matterhorn Bobsleds in Disneyland Park in California would be an excellent case study for this project.  The Matterhorn Bobsleds opened in 1959, and it is credited to be the world’s first tubular steel roller  coaster.  There  have  been  several  plans  to  replicate  The  Matterhorn  at  other  Disney  theme  parks;  however,  the  one  built  in  California  is  still  the  only  on  in  existence.  The  Matterhorn  is  an  excellent  example of themed entertainment design, because the ride vehicle helps communicate the theming and  story behind the attraction. After stepping into the bobsled and putting a seatbelt on, guests are pulled  up to the top of a snowy mountain using a drive‐chain. Once at the top, gravity takes over to race the  bobsled  down  to  the  bottom  of  the  mountain.  Construction  details  and  other  facts  regarding  the  Matterhorn are included in Figure 1.    Figure 1.Informational graphic published in The Orange County Register August 21,2013. 
  • 5. 5 | P a g e     A. MATTERHORN RIDE VEHICLE HISTORY  Several enhancements have been made to the Matterhorn since its opening, including the addition of  projections,  sound  effects,  show  scenes,  and  Abominable  Snowmen  audio‐animatronics.  The  Matterhorn ride vehicle has had a total of three iterations during the life of the attraction. The original  ride vehicle seated up to four guests (two seats that allowed up to two people each with lap sitting) as  shown in Figure 2.       Figure 2. The original Mattherhorn Bobsleds ride vehicle after opening in 1959.  Original design continued until 1978, when two cars were joined together to allow up to eight guests to  ride (four seats that allowed up to two people each with lap sitting). This new design leveraged the  Space Mountain ride vehicle design from Disneyworld and was able to adhere to the Bobsled theming by  repainting the ride vehicles. This design is shown in Figure 3. 
  • 6. 6 | P a g e       Figure 3. The second iteration of the Matterhorn Bobsled ride vehicle.  The  ride  vehicles  were  updated  again  most  recently  in  2012.  The  original  dual  tandem  seating  was  replaced with three individual seats per car. As shown in Figure 4, cars were once again joined together  to have a total capacity of six guests.    Figure 4. Current Matterhorn Ride Vehicles updated in 2012. 
  • 7. 7 | P a g e     The current iteration of the Matterhorn has a total capacity six guests, which is technically less than the  previous  capacity  of  the  former  ride  vehicles;  however,  the  change  was  almost  certainly  made  for  operational reasons. Although the total vehicle capacity is now less, the hourly throughput has most  certainly increased. The tandem seating was not always popular among guests and many groups would  ask for individual seats for personal comfort in order to avoid lap sitting in the vehicles shown in Figure 3.  Therefore, if two groups of two asked for individual seating, the capacity of the ride vehicle drops in half  from eight guests to four guests. By ensuring that six guests are able to experience the attraction every  time the vehicle leaves the station, the overall hourly capacity is able to increase.  B. CURRENT MATTERHORN RIDE VEHICLE AREAS OF IMPROVEMENT  Ideally the new design of the ride vehicles would have been extended to allow for eight individual seats  to be included in the ride vehicle. However, the original tubular steel track remains largely unchanged  since opening, and the ride vehicles were designed to remain compatible with the original track. The  cost to modify the structure of the track is almost prohibitively expensive when the option to remain  within the original vehicle envelope is available.    Figure 5. A close up view of the current Matterhorn Bobsleds after the redesign in 2012.  The latest vehicle design, as shown in more detail in Figure 5, divided the existing space into three even  sections in order to allow for three individual seats. The addition of the third seat takes up a significant  amount  of  overall  space  in  the  vehicle,  especially  considering  that  the  new  design  also  lowered  the  position of the seats and attached them directly to the floor of the vehicle. Physical sizes as well as  flexibility now play a significant role in the overall comfort of experiencing the attraction. As shown in  Figure 6, even average sized guests must squeeze into the space allotted and straddle the individual 
  • 8. 8 | P a g e     bucket seats of the attraction. If guests sit in the front of the vehicle, their legs don’t have a seat to  straddle and they must conform to the shape of the nose of the vehicle. The sides of the bucket seats  are attached to the vehicle at its sides, which prevents guests that are larger, or even slightly above  average height, from comfortably sitting in the vehicle.   Figure 6. The current Matterhorn Bobsled vehicle depicting the tight fit required for average sized guests.  Another overall concern regarding the design of the ride vehicle is that the original track provides a very  uncomfortable  experience—especially  now  that  guests  are  seated  directly  on  the  floor  of  the  ride  vehicle in an already uncomfortable position. The Matterhorn’s tubular steel track was the first of its  kind in the world, and was originally designed as a smoother alternative to the popular wooden roller  coasters of its time. Today, the original intentions of the track design are still appreciated; however the  fifty‐six year track is starting to show its age when compared to modern roller coasters. The current  industry  utilizes  computer  simulations  to  digitally  build  a  roller  coaster  track  well  before  it  is  ever  constructed in order to accurately predict the body forces experienced by guests during the ride. This  allows for the track to be changed and optimized, providing the most thrilling experience while also  keeping the uncomfortable vibrations and accelerations to a minimum.  For an update for the Matterhorn Bobsleds ride vehicle, and for the design of any other theme park  attraction,  guest  comfort  and  safety  should  always  be  the  number  one  concern.  However,  there  is  another  important  reason  to  update  the  current  Matterhorn  ride  vehicle  to  a  more  comfortable  experience.  Theme  parks,  by  definition,  design  and  theme  their  attractions  to  tell  a  specific  story  or  convey a specific message to their audience. In order for good themed entertainment design to work,  the guest and all of their senses must be fully convinced that what they are experiencing is real. This  important detail is what sets “theme parks” above generic “amusement parks,” even though both types  of parks can offer similar rides and attractions. For the Matterhorn Bobsleds in particular, if the guests  are able to experience a smoother ride quality, their attention will be more on the theming and detail of  the Matterhorn instead of on their own personal discomfort. In addition, the smoother ride quality will 
  • 9. 9 | P a g e     help convey the message that they are plummeting down a snowy mountain through fresh powdered  snow.  The final concern that came up after the most recent 2012 design of the ride vehicles was the change in  height  requirement.  Both  the  original  and  second  iterations  of  the  Matterhorn  Bobsleds  (shown  in  Figures 2 and 3) had a 35‐inch height requirement, thus making it the first roller coaster experience for  multiple generations of guests. The updated bobsleds have a 42‐inch height requirement, which is 2‐ inches taller than comparable newer roller coasters such as Space Mountain and Big Thunder Mountain.  Ideally, the height requirement should be changed back to 35‐inches, or at the very least dropped down  to 40‐inches to make the height requirement comparable to Space Mountain or Big Thunder Mountain.  As a summary of the important improvements that should be made to the design:  1. The human factors and ergonomics for the ride vehicle need to be revisited in order to allow a  comfortable experience for the widest range of guests possible  2. The ride quality (comfort, not theming) needs to be improved to allow guests a better overall  experience  3. Similar to designing for human factors, the height requirement should be able to be reduced  back to the original 35‐inches instead of the current 42‐inch height requirement  C. IMPORTANT DESIGN DETAILS TO KEEP  There are a number of features that have been included in Matterhorn Bobsled design that must be  included in order to allow for the ride vehicle to remain compatible with the current track.  1. As part of the original wheel assembly, a lift‐hill hook is included to allow the ride vehicle to be  taxied up to the top of the mountain before it can begin its decent.  2. The Matterhorn track currently has sensors with pacer motors and air‐brakes as shown in Figure  1. A “strike‐plate” is included on the undersides of the chassis and the wheel assemblies that  allow  for  the  ride  vehicles  to  move  at  a  consistent  speed  while  also  preventing  any  vehicle  collisions.  3. The underside and outside of the ride vehicle is able to stand up to weather, particularly water,  because the vehicle dives into a pool of water during the ride finale.  4. There is a universal linkage that is included in the design to be able to connect two of the ride  vehicles in series.  5. The wheels and wheel assemblies will largely remain unchanged to allow for their compatibility  with the existing track. Most roller coaster wheels are made from either Nylon or Polyurethane.  Nylon is wheels tend to make the ride faster, but also tend to vibrate more and cause more  wear  onto  the  track.  Therefore,  it  is  assumed  Polyurethane  wheels  are  used  in  the  wheel  assemblies.  6. The body material that bonds to the ride vehicle chassis is likely fiberglass. This is assumed for  the design.  D. RESEARCH ON RIDE VEHICLE SUSPENSION SYSTEMS  The original plan for this project was to keep the wheel assemblies untouched, and only change the  chassis and the seating for the redesign of the Matterhorn Bobsleds. Therefore, vibration isolators were 
  • 10. 10 | P a g e     investigated  to  be  able  to  directly  isolate  the  ride  vehicle  seats  from  any  rough  forces  or  vibrations  induced by the track. Wire rope isolators, elliptic leaf spring mounts, and air springs as shown in Figure 7  were investigated as a good option to use in between the ride vehicle seats and the chassis. Of these  options, the air springs and the elliptic leaf spring mounts were the most promising; however, the spring  rates for the elliptical leaf spring mounts could not provide isolation for a broad range of weights sitting  in the seats. Statistical data shows that if the height requirement dropped back down to 35‐inches, then  a child that is 35‐inches tall would weigh an average of 35 lb. There is no maximum height or weight  requirements, which means that guests seven feet or taller and guests weighing up to 350 lb. will also  ride the attraction. This means that vibration isolators for the seat needed to be able to comfortably  respond to a wide range of weights, and after a significant amount of research, it was determined that  only the air springs could be installed and adjusted to be able to meet this requirement. However, in  order for this to work, either an employee would have to change the air pressure within the air springs  prior to the departure of every ride vehicle (an operational nightmare), or an autonomous system could  be set up to inflate or deflate the air springs based on sensor inputs placed on the seat. Of these two  choices, the autonomous system would be the better choice, although this requires an air compressor to  be added to the Matterhorn Bobsleds. This could be done, although the excessive and unexpected noise  of the air compressor would immediately ruin the illusion of being in a bobsled. With all of these options  off the table, the option of adding a chassis suspension system seemed like the most likely option for  ride comfort.    Figure 7. Mechanical vibration isolators in order from left to right: air springs, wire rope isolators, and elliptical leaf springs.  After  a  significant  amount  of  research,  it  was  evident  that  it  is  very  uncommon  to  use  suspension  systems  on  theme  park  vehicles  of  any  kind.  Adding  a  suspension  system  to  a  roller  coaster  wheel  assembly and integrating it with the chassis of the roller coaster has likely never been done before. As  mentioned previously, the roller coaster ride vehicle is always attached rigidly to the wheel assemblies  as shown in Figure 8, and the track is usually designed to allow for the roller coaster to smooth and  controlled maneuvering. With that being said, the Matterhorn Bobsled track is already in place with a lot  of the original track attached to the structure of the mountain. This prevents the track from easily being  modified in order to make the ride experience more enjoyable.  
  • 11. 11 | P a g e       Figure 8. The  roller coaster from Six Flags Magic Mountain, showing the connection of the wheel assembly chassis.  Luckily, the use of suspension systems in vehicles has been prevalent for as long as passenger vehicles  have  been  around.  Suspension  systems  avoid  a  rigid  connection  between  a  vehicle  chassis  and  its  wheels,  and  allow  relative  motion  between  the  two  for  either  ride  handling  reasons  or  passenger  comfort. Suspension system components generally include the wheels, springs, dampers, and linkages  that connect a vehicle to its wheels. The linkages control the relative motion between the chassis and its  wheels,  while  the  springs  and  dampers  allow  for  wheels  to  react  to  changes  in  the  road  conditions.  Springs determine how a vehicle will respond to changes in the road conditions or how it will respond to  changes in the vehicle loading caused by accelerations and cornering. Springs need to be chosen with  the suitable spring rate that is soft enough to handle bumps and stiff enough to avoid excessive pitching  while  accelerating  or  braking.  While  springs  determine  how  far  the  chassis  will  move  during  accelerations and road conditions, damping determines how long it takes to get there, and how quickly  it will return to its original position. Overall, damping has a huge influence on comfort, handling, and  vehicle traction, and while spring force is determined by the amount a spring is compressed, damping  force  is  determined  by  the  change  in  velocity  of  the  damper.  This  damping  force  is  almost  always  created  by  forcing  oil  through  an  orifice  from  one  chamber  to  another,  and  the  viscosity  of  the  oil  creates the resistance to flow.  After  looking  at  all  of  the  different  designs  for  suspension  systems,  a  4‐bar  suspension  system  was  chosen  because  it  prevents  a  lot  of  “kick‐up”  when  compared  to  other  configurations,  and  it  has  a  relatively compact installation design. Specifically, a Satchell Link was chosen, because the roll center  could be lowered while using a minimum amount of space. After adjusting the geometry of a Satchell  Link  suspension  within  the  existing  envelope  available  near  the  wheel  assemblies,  the  configuration  shown  in  Figure  9  was  developed.  This  suspension  system  will  work  better  than  the  current  design  without any tuning of the suspension system, however, one of the goals of this design was to maximize  the  comfort  level  for  the  guests  experiencing  the  attraction.  Therefore,  new  technologies  were  investigated  in  order  to  provide  the  most  comfortable  experience  to  the  widest  audience  available.  Active  and  semi‐active  suspension  systems  are  becoming  very  popular  because  they  are  able  to  overcome the trade‐off between comfort and handling.  
  • 12. 12 | P a g e       Figure 9. The analysis of the Satchell Link suspension design when added to one of the wheel assemblies. After  a  significant  analysis  between  the  two  technologies,  it  was  decided  that  a  semi‐active  dynamic  suspension  could  be  easily  implemented.  Accelerometers  will  be  installed  on  the  sprung  and  unsprung  portion of the vehicle and potentiometers that can measure the travel of the suspension will also be installed.  The damping and spring preload can then be adjusted based on the riding scenario. Servo motors would be  too slow to make the adjustments to a sensed disturbance, so fast‐moving solenoids will be utilized to quickly  alter  the  oil  flow  though  dampers.  This  will  allow  the  vehicle  to  be  perfectly  damped  depending  on  the  situation. The other advantage that this design has over a standard vehicle suspension is that the track the  vehicle is on is not completely random and will not regularly change. Therefore, the entire track can allow the  solenoid responses to be “scripted” with the only thing changing being the passenger load. A model can be  Material Selection: Upper Links Lower Links Outside Diameter 1.500 in Outside Diameter 1.750 in Wall Thickness 0.120 in Wall Thickness 0.188 in Material Used Steel 1018 Material Used Steel 4130T Rod End Rated Load 32,000 lb Rod End Rated Load 55,000 lb Modulus of Elasticity 29,000,000 psi Modulus of Elasticity 29,700,000 psi Yield Strength 50,000 psi Yield Strength 110,000 psi Density 0.2840 lbm/in^3 Density 0.2840 lbm/in^3 Moment of Inertia 0.125 in^4 Moment of Inertia 0.285 in^4 Area 0.520 in^2 Area 0.923 in^2 Pyield 26,012 lb Pyield 101,480 lb Pbuckling 271,515 lb Pbuckling 351,184 lb Pbending 2,901 lb Pbending 9,299 lb Link Length 11.4690 in Link Length 15.4353 in Link Weight 1.69 lb Link Weight 4.04 lb Link Force -14 lb (Compression) Link Force -841 lb (Compression) F.S. Yield -1,909.36 (link stretching) F.S. Yield 120.62 (link compressing) F.S. Buckling -19,929.75 (link buckling under braking) F.S. Buckling 417.41 (link buckling under acceleration) F.S. Bending 4.84 (somewhat irrelevant for an UPPER link) F.S. Bending 15.50 (link bending w/ 1/2 the vehicle weight on it) F.S. Rod End -2,348.86 (rod end breaking) F.S. Rod End 65.37 (rod end breaking)
  • 13. 13 | P a g e     developed  by  instrumenting  each  of  the  passenger  seats  and  having  a  “dummy  load”  that  will  place  the  Center of Gravity at a different location on the ride vehicle. After instrumenting a handful of different loading  scenarios, including the most extreme cases such as a bobsled loaded with three 350 lb. passengers or one  filled with two 35 lb. children and a petite 100 lb. adult, any loads that are between the instrumented cases  can be interpolated to achieve a comfortable response to the attraction. Therefore, with this system, even a  classic roller coaster can receive an upgrade in ride quality, and for the Matterhorn Bobsleds in particular, the  theming can even be improved.  E. UPDATED MATTERHORN BOBSLED DESIGN  The new design of the Matterhorn Ride Vehicle improves upon quite a few of the features of the existing  ride vehicle, including keeping the individual bucket seats. With the new design in particular, the seats  were designed to be able to be separated from the chassis of the ride vehicle, allowing the seats to be  replaced individually for maintenance reasons. The seats are attached to the chassis with steel rails that  fasten directly to the vehicle chassis as shown in Figure 10. Seatbelts are not included directly into the  seat design, and instead interface with the seats by fitting up through the steel rails on either side of the  seat. As part of ASTM F2291, seatbelts are required to have a manual override that allows them to be  unlocked during an emergency situation. By including the seatbelts with the chassis, a ride operator will  be able to unlock all three seatbelts from outside the ride vehicle.    Figure 10. A picture depicting the updated Matterhorn ride vehicle bucket seat design. 
  • 14. 14 | P a g e     With the seats slightly elevated, not only are the seats more ergonomic, but it allows for natural sitting  for the passenger sitting in the seat behind it by allowing their feet to pass under the seat. The seats are  designed specifically to be able to fit individuals up to 6’ 5” in height, as shown in Figure 11, which was  chosen because it is the 99th  percentile of the population. For individuals taller than this, the seats were  narrowed to open up aisles on either side of the seats to provide even more leg room for the middle and  rear seats. A portion of the rear of the vehicle was also removed to allow the rear seat to sit further back  in the ride vehicle. The seats were also designed to allow children to comfortable be seated on the ride.    Figure 11. A model showing a 6’ 5”, 99 th  percentile male sitting in the updated Matterhorn Ride vehicle.    Figure 12. An isometric view of the updated Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
  • 15. 15 | P a g e     The underside of the vehicle shown in Figure 13 shows the integration of the Satchell Link Suspension  system,  along  with  the  electronics  compartment  that  has  also  been  integrated  into  the  chassis.  The  electronics compartment will house the signal conditioners for the suspension sensors, as well as the  onboard computer that will set the scripting for the damping parameters and communicate to the ride  controller  computer  to  confirm  position  along  the  track  and  verify  a  safe  ride  through.  To  remain  compatible with the track, the wheel assemblies remain largely unchanged from before. More images of  the final design offering different perspectives are included in Figures 14‐17.    Figure 13. An underside view of the vehicle showing the Satchell Link semi‐active suspension design and other important  components.    Figure 14. Front view of the newly designed Matterhorn Bobsled ride vehicle. 
  • 16. 16 | P a g e       Figure 15. Top view of the newly designed Matterhorn Bobsled ride vehicle.    Figure 16. Side view of the newly designed Matterhorn Bobsled ride vehicle.  The final design accomplishes all of the goals that were set for this design process, including adding a  suspension  system  that  allows  for  guests  35‐inches  and  taller  to  be  able  to  comfortably  ride  this  attraction. New technology is included as part of the attraction to allow for variable damping in the  suspension  for  an  optimized  amount  of  ride  quality  regardless  of  the  loading  of  the  vehicle  and  the  resultant location of the center of gravity. The new seat design allows for a combination of increased  ergonomics and increased leg room to be able to enjoy the attraction, and all of the existing features  that were required in order to remain compatible with the current Matterhorn track are still part of the  design. The design presented will allow guests to better enjoy the theme and story of this classic ride. 
  • 17. 17 | P a g e       Figure 17. An image depicting the assembled Matterhorn ride vehicle with six 6’ 5” passengers.  F. FUTURE WORK  It was decided that the semi‐active suspension system was the best possible option for the existing ride  vehicle, however, if a significant overhaul to the Matterhorn track and technology were made, the best  candidate for the ride vehicle would be a fully active hydraulic suspension as shown in Figure 18. This  would  require  that  in  addition  to  all  of  the  existing  sensors  added  for  the  semi‐active  suspension,  a  hydraulic fluid reservoir and filter would have to be added to the ride vehicle, as well as hydraulic pumps  and hoses that would create a hydraulic network connecting the hydraulic reservoir to the suspension  spring‐dampers located at the four corners of the ride vehicle. With this system, in addition to “scripting”  the ride experience for comfort, the Matterhorn Bobsled would be able to be fully controlled by the  suspension system and its controller. This means that the Bobsled could feel like it is floating on fresh  snow powder, and gently lean into turns for the most realistic simulation possible. This solution would  be  the  most  expensive and would be the  most difficult  to implement;  however, it would  be able  to  provide the best experience overall.    Figure 18. (a) A quarter model of a passive suspension. (b) A quarter model of the semi‐active suspension designed. (c) A quarter  model of the fully‐active hydraulic suspension proposed for future work 
  • 18. 18 | P a g e     V. DESIGN OF AN ORIGINAL RIDE VEHICLE  Looking at the most recent attractions that have opened within the last five years, it is evident that the  most popular attractions are the most immersive. For example, the Radiator Springs Racers attraction in  Disney’s  California  Adventure  Park  utilizes  show  scenes  combined  with  animatronics  to  recreate  the  environments shown in the popular Cars movies as shown in Figure 19. This attraction is located in a  themed portion of the park that also recreates the environments from the Cars movies.     Figure 19. A show scene and the ride vehicle from Radiator Springs Racers in Disney’s California Adventure theme park.  Universal Studios has also seen a lot of success recreating the environments from the Harry Potter films  in their Orlando theme parks with themed portions of the parks as well as immersive attractions such as  the Harry Potter and the Forbidden Journey attraction in the Islands of Adventure theme park shown in  Figure 20.    Figure 20. Ride loading area for Harry Potter and the Forbidden Journey at Universal Studios Islands of Adventure Park. 
  • 19. 19 | P a g e     An extensive patent search was also completed in order to accomplish the goal of creating an original  theme  park  ride  vehicle.  A  select  number  of  related  patents  are  documented  in  Appendix  A  of  this  document.  Ultimately, a suspended ride vehicle on a track that allows for motion simulation was chosen because it  allows  for  the  most  versatile  use  in  multiple  theme  parks.  The  following  sections  outline  the  design  decisions  made  for  the  original  ride  vehicle  and  how  it  could  be  implemented  into  a  theme  park  attraction.   A. RIDE VEHICLE CONCEPT  Motion simulators are very common in theme parks today, because they allow attractions to be built  utilizing a fraction of the amount of space that ride vehicles on a track utilize. However, there are a  significant number of guests that experience called Simulator Sickness when riding a motion simulator.  Simulator Sickness occurs when the body senses discrepancies between its perceived motion and its  actual  motion.  The  ride  vehicle  shown  in  Figure  21  is  intended  to  be  a  smooth  and  subtle  motion  simulator that is able to be controlled on a track with a Dual Sided Linear Induction Motor (DLIM). The  DLIM  allows  for  the  vehicle  to  be  driven  forward  or  backward  depending  on  the  frequency  that  the  induction loops are turned off and on. The vehicle is not intended to be “launched” utilizing the DLIM  like many roller coasters are. Instead, the DLIM is utilized for a controlled and steady pace throughout  the ride.     Figure 21. Original ride vehicle design concept. 
  • 20. 20 | P a g e     As shown in Figure 22, the suspended chassis is able to tilt forward and backward by controlling two  linear actuators that apply a moment couple about the vehicle central pivot. Above the central pivot, a  large turntable allows for the ride vehicle to rotate up to 360‐degrees. Welded Aluminum tubing is the  primary material utilized in the chassis because it is lightweight, some tempers are able to be formed  easily, and it is inexpensive and readily available.   Another feature shown in Figure 22 is the decorative shroud. The decorative shroud obstructs the view  of both the ride vehicle and track from riders and is also able to contain cooling fans to continuously  blow  air  on  guests  to  aid  in  preventing  Simulator  Sickness.    Lighting  can  also  be  installed  in  the  decorative  shroud  to  assist  with  guest  loading  and  unloading,  as  well  as  lighting  in  the  case  of  a  breakdown of the ride. The Center of Gravity (CG) of the ride vehicle was also intentionally placed just  behind the pivot point to always allow for the ride vehicle to tilt slightly backwards instead of forwards if  the ride vehicle happened to lose power while it was operating regardless of how it is loaded.    Figure 22. Motion control mechanisms of the ride vehicle. 
  • 21. 21 | P a g e     In order to cut down on the overall weight of the vehicle, a high tensile (HT) Nylon mesh netting (Type  TP21) was utilized to be able to support the individual riders on the ride vehicle. A sample of the mesh  netting is shown in Figure 23. The mesh netting is rated for a 325 lb. individual, and weighs 10.2 ounces  per square yard. The total weight of the mesh netting is 4.78 lb. once installed on the ride vehicle.    Figure 23. Nylon mesh netting sample.  The overall structure of the ride vehicle chassis is shown in Figure 24, which is used to create the finite  element analysis (FEA) model of the ride vehicle.    Figure 24. The aluminum structure (skeleton) of the ride vehicle, which is converted to a mesh for a Finite Element Analysis. 
  • 22. 22 | P a g e     B. FUTURE WORK  The original intention with this design was to allow full motion control of the ride vehicle. The attraction  presented is  not able to roll, which is  fairly important for a simulation experience. After researching  different ways to accomplish this, the two most attractive solutions were to add another motor that  allowed  for  rolling  articulation  or  to  add  five  more  electric  linear  actuators  to  be  able  to  create  an  inverted Stuart Platform. Adding another motor would have added a lot of complexity to the model, as  well as added a significant amount of weight to the overall structure of the chassis. Adding the Stuart  Platform would have added even more complexity to the model, although it would not have the same  weight consequences as adding another motor would. Both solutions also present issues if power is lost  while  guests  are  in  the  ride  vehicle.  A  significantly  more  complicated  chassis  would  have  to  be  developed in order to allow for the guests to remain comfortable when the power is lost. Ultimately, an  inverted Stuart Platform would be the preferred choice of the two options because of the weight savings  afforded. An image of a Stuart Platform is shown in Figure 26.    Figure 25. Image of a Stuart Platform being used to tilt in a full 360‐degree.  Although it is a little out of scope for this project, a concept of how  spherical projection could work for  this ride vehicle is shown  in Figure 25. The concept prevents the ride vehicle from crossing into the  direct path of the projection on spherical walls.    Figure 26. Spherical Projection Concept 
  • 23. 23 | P a g e     VI. ANALYSIS OF AN ORIGINAL RIDE VEHICLE  The  design  intent  for  this  ride  vehicle  is  to  allow  as  many  different  people  to  be  able  to  ride  it  as  possible. This is accomplished by designing the maximum load for the chassis to be able to seat six 99th   percentile males—each weighing 250 lb. With this in mind, the total weight of the chassis including the  passengers is 2114 lb. As previously mentioned, the chassis is designed to have the center of gravity  behind the central pivot to prevent the chassis from tipping forward in the event of a loss of power. This  holds true regardless of the loading of the chassis.  Figure 27. The maximum chassis load with the CG shown as a magenta reference frame.  The  following  section  of  the  report  provides  stress  analysis  and  margin  of  safety  calculations  for  expected load cases for the original ride vehicle. Analysis methods in this report use finite element (FE)  models to calculate stress as a result of the various load cases. The intent of this report is to provide  analysis substantiation for the ride vehicle chassis, which will be subjected to the most stringent load  cases. 
  • 24. 24 | P a g e     A. FINITE ELEMENT (FE) MODEL  The finite element model of the original ride vehicle consists of dimensionally reduced meshing elements  throughout, representing all contributing mass, inertia, and stiffness of the ride vehicle. Dimensionally  reduced  elements  essentially  comprise  mesh  elements  that  possess  one  less  dimension  than  the  structural components that they represent. For mesh elements like fasteners, 2‐D beam elements are  used. A beam element has two nodes with a line in between. The line that ties the two points together is  the reduced dimension element, as it’s infinitely small in diameter, yet it contains the cross‐sectional  characteristics of the structural member it represents (as calculated numeric constants). The same holds  true for large, flat sections of machined parts or sheet metal. Plate elements are employed to represent  those  metal  pieces;  the  net  shape,  curvature  and  contributing  structural  details  are  captured  with  infinitely thin surfaces that have thickness applied as numeric constant once more. This is a significant  enabler for the analysis as it utilizes roughly 1/5 the number of nodes and elements of a fully‐meshed  tetrahedral  model  (thus  reducing  run  times),  and  allows  the  modification  of  the  design  (such  as  increasing or decreasing machined thickness, sheet metal gage or fastener size) without having to re‐ mesh.  Likewise,  the  reduced  overall  amount  of  nodes  and  elements  allows  for  a  complete  assembly  model to be analyzed with one analysis, adding to the fidelity and accuracy of the product. Each element  is also defined with a material and a property. Properties allow for the same material to be used for  different element types, and help define various element parameters. With plate elements, the plate  thickness is a numeric constant that is assigned within the property state. For mass elements, a specific  mass is assigned. For beam elements, the material and cross sectional properties are assigned.  As shown in Figure 28, the FE model captures all structural components with simplified geometry. Figure  29 shows a representation of the FE model with the thickness and cross sectional areas of dimensionally  reduced elements shown. The FE model’s center of gravity (CG) is located is within .15” of the 3D CAD  models CG location. This is important, because the expected load cases are all body‐load cases—where  the chassis acts as the primary inertial reference frame and any dynamics that act on it externally are  able to affect the reference frame through accelerations. The accelerations are applied on a per element  basis which results in forces being applied to elemental nodes. A great example of this is a constant  gravitational acceleration acting downward. The only external forces that are applied to the system are  utilized  to  represent  the  controlling  forces  from  the  linear‐actuators  utilized  to  tilt  the  chassis  while  controlling it.    Figure 28. Comparison of the 3‐D CAD to the Dimensionally reduced Finite Element (FE) Model. 
  • 25. 25 | P a g e       Figure 29. The Finite Element (FE) Model with thicknesses represented.  B. MODEL ELEMENTS  Figure 28 shows the FE model of the ride vehicle chassis, which is comprised almost entirely out of plate  elements.  Plate  elements  are  able  to  be  used  primarily  because  the  entire  chassis  design  takes  advantage of structural tubing and machined thin walled structures. The 99th  percentile passengers that  are on the ride vehicle are able to be modeled as mass elements. These mass elements possess the mass  and inertial properties of the corresponding passengers, but are represented in the analysis as a single  node collocated at the component’s geometric CG. As shown in Figure 30, these single‐node elements  tie into parent FE structure via rigid elements at the same locations where actual fasteners are used to  secure  the  components  in  place.  These  rigid  mounting  points  are,  in  themselves,  conservative  when  used for the static analysis, because they do not account for any internal damping that would occur  when transferring loads from the CG to the structure. The handles for the chassis are modeled utilizing  beam elements, also shown in Figure 30. The various element counts and their descriptions are shown  in Table 1 for reference.    Figure 30. Mass elements being shown directly tied to the structure with rigid elements. 
  • 26. 26 | P a g e     Table 1. Types of FE Elements Used to Model the Chassis.    C. MODEL MATERIAL  All of the elements within the FE model have assigned material properties. The material used in the  model is 6061‐T651 aluminum, which is an isotropic material with the material properties defined in  Table 2. A more detailed summary of material properties is included Appendix C.  Table 2. Isotropic Material Properties‐Used in the model for beam elements of varying cross‐sections and plate elements of  varying thicknesses.    For isotropic materials, the yield stress,  , and ultimate stress,  , determine the allowable limit of  the material. More details regarding the material limits of the materials and calculated margins can be  found within the individual load case sections of this report.  Fatigue is also an important topic to cover in this analysis, because the load cases presented will occur  hundreds or even thousands of times daily. The fatigue curves for 6061‐T6 aluminum are included in  Figure 31 to allow a comparison between the results of the analysis and the fatigue life of the chassis.  Although  aluminum  is  a  light  structural  material,  it  generally  has  very  low  fatigue  strength  when  compared to other structural materials such as steel. An unnotched curve without a stress concentration  factor  is  able  to  be  utilized  because  FEA  accurately  calculates  stresses  at  specific  locations  where  stresses may be concentrated.     Figure 31. The Unnotched 6061‐T6 aluminum S/N curve from MMPDS‐8.  Element Type Element Count Description Beam, Linear 49 Used to model fasteners or long structures with constant cross sectional area Plate, Linear 124342 Used to model simple isotropic geometry‐‐efficient use cuts down element count Mass 6 Used to accurately represent the mass and inertia of nonstructural objects Rigid 8 Used to secure mass elements to the corresponding structures that bear their load. Material Alloy Ftu (ksi) Fty (ksi) E (Msi) ν ρ (lb/in^3) REF. Aluminum 6061‐T651 42 35 9.9 0.33 0.098 MMPDS‐08
  • 27. 27 | P a g e     D. FINITE ELEMENT MODEL QUALITY  The choices of the type of element, as well as the quality of the elements are very important when using  Finite Element methods to calculate accurate results. Misuse of elements can dramatically change  results; therefore, a conservative approach should always be used. In creating a model, the element  quality should always be checked to confirm that the results provided by the Finite Element code are  accurate. A significant amount of time was spent to verify that the mesh quality was appropriate, and as  shown in Figure 32, the mesh quality of the Finite Element model is excellent. A more detailed  discussion of element quality is included in Appendix B of this report.       Figure 32. The Jacobian contoured on the mesh of the Finite Element model, showing that all of the elements have a Jacobian of  less than 0.6. 
  • 28. 28 | P a g e     E. CONSTRAINTS OF THE MODEL  In order to constrain the model and allow for the stiffness matrix of the Finite Element model to be  invertible, the FE model must be properly constrained in its degrees of freedom. For this model, the  internal bearing surfaces were constrained translationally and rotationally about its axis as shown in  Figure 33.    Figure 33. The two internal bearing surfaces where the constraints are applied to prevent axial translation and rotation.  F. VIBRATIONAL MODES OF THE MODEL  The vibrational modes or natural frequencies of the model are an important consideration during the  design  process,  especially  when  designing  around  any  motors  or  other  machinery.  If  a  structure  is  excited by an oscillatory input that is very close to its dominant natural frequencies, it is possible for the  entire structure to fail catastrophically. Finite Element analysis is an excellent method of predicting at  what frequencies vibrational modes will occur, as well as what the mode shapes look like. Being able to  see the mode shapes during the design process is a significant advantage, because it allows the designer  to stiffen up the structure in problem areas if necessary. The first natural frequencies of the model are  shown in Table 3. After observing the mode shapes of the model, the first natural frequency in Table 3  can be discounted because of the loading conditions and chosen constraints. The first natural frequency  shown  at  5.07  Hz  corresponds  to  the  rotation  of  the  chassis  about  the  axis  of  its  bearings,  which  currently has constraints applied to it for this analysis. This rotation about the axis should correspond to  a rigid body mode (natural frequency = 0 Hz) being controlled by the linear actuators of the system. The  linear actuators are represented as forces in this analysis, and are therefore not accurately represented 
  • 29. 29 | P a g e     in a vibrational modes analysis, which is a function directly related to the mass and the stiffness of the  model. The subsequent mode shapes correspond to various “twistings” of the ride vehicle chassis, as  shown in Figure 34 which shows the exaggerated deflections of the second and third mode shapes. It is  important to note that the natural frequencies of the system can also be utilized to perform random  vibration analysis or sinusoidal response analysis with the Finite Element model.  Table 3. The natural frequencies of the Finite Element model.        Figure 34. The second and third mode shapes plotted with their corresponding strain energies.  Mode Number Frequency [Hz] 1 5.07 2 8.44 3 22.85 4 26.76 5 50.77 6 75.43 7 81.87 8 95.75 9 113.11 10 120.65
  • 30. 30 | P a g e     G. FIRST LOAD CASE OF THE MODEL  The  first  load  case  analyzed  corresponds  to  a  standard  fully  loaded  chassis  with  the  six  250  lb.  passengers with a factor of safety of 1.5. This load corresponds to six 375 lb. passengers. The von Mises  stress results, as well as an exaggerated deflection of the model is shown in Figure 35. Knowing that this  type of load is dynamic (guests loading and unloading), the maximum stress must be compared to the  fatigue stress chart in Figure 31. Looking at the chart, it is evident that the fully‐reversing cycling has a  run out of roughly 12,000 psi. This corresponds to a safety margin of 0.18, showing that the design is  suitable for this load condition.      Figure 35. The von Mises stress [psi] contour plot results after the first load condition is applied. 
  • 31. 31 | P a g e     H. SECOND LOAD CASE OF THE MODEL  The  second  load  case  analyzed  corresponds  to  a  standard  fully  loaded  chassis  with  the  six  250  lb.  passengers with a rotational acceleration of 8π rad/s2 . This load corresponds to the maximum rotational  acceleration/deceleration allowed by the structure to stay within the fatigue limits. It is important to  note that even though this load corresponds to a margin of safety of 0.16 for a fully reversing load with  run out of 12000 psi, it also corresponds to a linear acceleration of 3.8g’s for the outside passengers.  Therefore,  this  load  case  is  chosen  only  as  a  theoretical  limit  that  could  be  applied  as  a  rotational  acceleration due to an applied torque to the system. This load would make even the hardiest of guests  uncomfortable  and  likely  sick.  Even  though  this  rotational  acceleration  will  likely  never  be  used  in  practice, the analysis shows that the current design is suitable for the load condition. The von Mises  stress contour plot results are shown in Figure 36.      Figure 36. The von Mises stress [psi] contour plot results after the second load condition is applied. 
  • 32. 32 | P a g e     I. THIRD LOAD CASE OF THE MODEL  The  third  and  final  load  case  analyzed  corresponds  to  a  fully  loaded  chassis  with  the  six  250  lb.  passengers  with  a  factor  of  safety  of  3  combined  with  the  necessary  control  forces  provided  by  the  linear actuators. The linear actuators are required to provide the necessary forces to create the moment  couple required to keep the chassis in its maximum tilted position. The force required to be applied by  the  linear  actuators  is  2013  lb.  in  opposing  directions.    A  large  factor  of  safety  was  chosen  for  this  situation,  because  of  the  importance  of  the  stabilizing  actuator  forces.  Even  though  the  chassis  is  designed to “fail safely” in the event of a loss of power, if the linear actuator causes a structural failure,  the safety of the passengers is at risk. The actuator forces will provide dynamic loading to the chassis,  therefore, the maximum stress must be compared to the fatigue stress chart in Figure 31. The maximum  stress for this load case is 10674 psi as shown in Figure 37, which corresponds to a margin of safety of  0.11. The analysis shows that the current design is suitable for the expected load conditions.      Figure 37.The von Mises stress [psi] contour plot results after the third load condition is applied. 
  • 33. 33 | P a g e       VII. CONCLUSIONS  An  introduction  to  Themed  Entertainment  Design  has  been  presented  through  research  into  current  industry standards, a redesign of an existing theme park ride vehicle, and through the original research,  design, and analysis of an original theme park ride vehicle. It is the intention of this paper to properly  display the broad knowledge base required to design a theme park attraction, as well as the depth of  knowledge  required  to  support  the  design  of  theme  park  attractions.  During  the  process  of  this  investigation, there were numerous difficulties, including numerous changes to the designs of both ride  vehicles. Many of the original design concepts are vastly different than the original concepts planned,  such as the fully‐active suspension for the Matterhorn ride vehicle concept and the fully articulating ride  vehicle  concepts  presented  in  the  future  work  sections  of  this  report.  The  detailed  FEA  analysis  has  proven the feasibility of the original theme park ride vehicle with a significant amount of margin when  compared with the dynamic loading cases of the chassis and the fatigue life of the chosen materials. The  analysis was completed assuming that six 99th ‐percentile males were the passengers, which allows for a  significant percentage of the population to be able to experience the original ride vehicle design. Now  that the original ride vehicle structure is proven, it can be integrated into a Theme Park Attraction.  VIII. SOURCES  https://www.library.ca.gov/CRB/97/12/97012lr.html  http://www.iaapa.org/safety‐and‐advocacy/safety/amusement‐ride‐safety/astm‐standards  http://www.astm.org/COMMITTEE/F24.htm  http://www.iaapa.org/safety‐and‐advocacy/safety/amusement‐ride‐safety/regulations‐standards  http://www.vibrationmounts.com/WireRopeIsolators.htm  http://www.carbibles.com/suspension_bible_pg2.html 
  • 34. 34 | P a g e     APPENDIX A – PATENTS RESEARCHED FOR THIS PROJECT  A. PATENTS RELATED TO ORIGINAL THEME PARK DESIGN  1. Theme Park Ride with Ride‐Through Screen System  a) https://www.google.com/patents/US7905790?dq=theme+park+ride+v ehicles&hl=en&sa=X&ved=0CBwQ6AEwADgKahUKEwjSup3TibbHAhXHTIg KHQ2MAH8 2. Dynamic Ride Vehicle  a) https://www.google.com/patents/US5623878 3. Amusement Apparatus and Method  a) https://www.google.com/patents/US6354954?dq=suspended+theme +park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CE0Q6AEwBzgUahUKEwj2yoaMk LbHAhUMl4gKHV0yCBw 4. Amusement Ride  a) https://www.google.com/patents/US6220171?dq=suspended+theme +park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CEYQ6AEwBjgUahUKEwj2yoaMk LbHAhUMl4gKHV0yCBw 5. Ride Vehicle Control System  a) https://www.google.com/patents/US5473990?dq=suspended+theme +park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CBwQ6AEwADgeahUKEwj7gdTK k7bHAhXFlYgKHSepA90   6. Flying Roller Coaster With Vertical Load and Launch  a) https://www.google.com/patents/US20140165868?dq=suspended+th eme+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CCoQ6AEwAjgoahUKEwj2isG cmbbHAhWIn4AKHY36Bg0 7. Motion‐based Attraction  a) https://www.google.com/patents/US8137205?dq=suspended+theme +park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CCMQ6AEwATg8ahUKEwic78CT mrbHAhVFnYAKHcqPC2o 8. Amusement Ride  a) https://www.google.com/patents/US7971537?dq=suspended+theme +park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CDgQ6AEwBDg8ahUKEwic78CT mrbHAhVFnYAKHcqPC2o 9. Motion Simulator Theater With Suspended Seating 
  • 35. 35 | P a g e     a) https://www.google.com/patents/WO2011106488A1?cl=en&dq=susp ended+theme+park+ride+vehicles&hl=en&sa=X&ved=0CEYQ6AEwBjiWAW oVChMI24Dyip-2xwIV0fqACh00ng0y 10. Roller Coaster with Articulable Seat Backs  a) https://www.google.com/patents/US8490550?dq=motion+coaster&hl =en&sa=X&ved=0CD8Q6AEwBTgeahUKEwiJmN2RorbHAhUMmYAKHRf7B kY                        
  • 36. 36 | P a g e     APPENDIX B – DEFINITION OF VON MISES STRESSES, MARGIN OF SAFETY,  AND MESH QUALITY  Intentionally,  all  components  and  assemblies  of  the  analyses  presented  herein  have  been  designed  such  that  peak  stresses  lie  within  the  linear  portion  of  the  elastic  regime  of  the  component’s  material  properties.  A  plot  of  the  stress/strain  curve  is  shown  in  Figure  A‐2.  Insufficient strain energy exists in every load case to induce plastic deformation. By doing so,  the linear finite element analysis approach is valid as a tool for forecasting the integrity of an  assembly undergoing emergency landing load accelerations.   The analysis approach allows the von Mises stress criterion to be employed, the main stress  scalar presented within this document. Part of the plasticity theory, von Mises stress is a scalar,  ‘maximum stress’ value found with ductile materials, such as aluminum and steel. By definition,  a  material  is  said  to  start  yielding  when  its  von  Mises  stress  reaches  the  yield  stress  of  the  material. von Mises stress takes into account multi‐axial loading and structural displacement  response. The two images of Figure A‐1 illustrate this; when stress values in any axis approach  the limits of the cylinder of the von Mises surface, yielding occurs.  Figure Error! No text of specified style in document.‐1. von Mises Stress in 3‐d Cartesian Coordinate Space  Note: von Mises Stress in 3‐d Cartesian Coordinate Space is a cylinder about the hydrostatic stress axis  (A) and a circle capturing the more‐conservative maximum shear (Tresca) stress in 2d space (B).  von Mises stress, συ, under multi‐axial loading conditions can be defined as:          2 2 12 2 33 2 21       In the case of pure shear stress, σ12 = σ12≠ 0, while all other stresses, σ12=0, von Mises criterion becomes: A B
  • 37. 37 | P a g e     3 12 y k    At the onset of yielding, the magnitude of the shear stress in pure shear, k, is 1.7 ( 3 ) times lower than the tensile stress of the case of pure tensions. In the case of plane stress (Figure A-1[B]), where σ3=0, the von Mises criterion becomes: 222 221 2 1 3 yk   This equation represents an ellipse in the X-Y plane of Figure A-1(B). Typically, von Mises stresses found within the analysis models comprise some combination of shear and tensile stresses. As such, the perimeter line about the X-Y stress plot is used as the linear yield point for all materials in these analyses. An advantage of utilizing von Mises stress is that a direct correlation between material properties and loading can be derived based on material yield (and corresponding ultimate) alone, thus alleviating the need for tensile or shear yield values. This simplification is leveraged in the generation of a margin of safety (MS); a value that is based on material conditions. MS is defined as: 1 tu tu f F MS Where Ftu is allowable ultimate stress and ftu is the factor of safety on the limit load: tltu ffFoS 5.1     Figure Error! No text of specified style in document.‐2. Stress versus Strain Curve for Aluminum Alloy  It should be noted that material properties for materials comprising this analysis were taken from Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS-8), with specific materials cited in Appendix C. As long as the margin of safety is 0 or positive, no detrimental permanent deformation will result, and the analysis entities meet airworthiness requirements.
  • 38. 38 | P a g e     FEA mesh quality was a prime consideration for the generation of accurate analyses results. A reason for using a robust, established auto-meshing tool in the FEA software such as FEMAP/Nastran is that the user can generate sound element meshes. All elements underwent a distortion check; a modified scale-invariant check based solely on geometric parameters. These parameters included:  Aspect ratio. Length to height ratio (maximum allowable ratio of 10:1).  Taper. Similar to aspect ratio for trapezoidal shapes (max. ratio of 10:1).  Alternate Taper. Divides the Q-4 element into two triangles, looking at triangular taper ratio (0.5:1 max allowable).  Internal angles. Deviation from 90° (rhombus shape investigation, 30° max allowable angle).  Warping. Investigates the planarity of the element faces (5° max warping angle).  Jacobian. Comparison of element shape to ideal shape. Within the mesh, all elements are evaluated against the maximum values of the aforementioned parameters. For those elements that did not pass the check, local re-meshing, often at individual elements, occurred. Once the entire mesh met the criteria, the model was ready for analysis. Consider the Quad-4 shown in Figure Error! No text of specified style in document.-3. The level to which mesh element geometry strays from the ‘ideal shape’ will impact its strain response.   Figure Error! No text of specified style in document.‐3. Four‐point Quadratic (Q‐4) Element  To that end, the intent is to minimize divergent element shapes. In terms of the Jacobian distortion  check, the numerical integration of the 2‐d, Quad‐4 plate element, after the chain rule, gives:   [1] With the Jacobian being [2]                                                    y x yy yx                                  yy yx J
  • 39. 39 | P a g e     The Jacobian, in modified form, is a measure of the amount of difference between the ideal shape and the actual element shape and is key in the distortion check. The modified Jacobian provides a normalized constant ranging from 0, for optimal shape, to 1, for the worst-case shape. Large variations of the determinant of the Jacobian translate into numerical stiffening of the element. A comparison of the two triangle elements shown in Figure Error! No text of specified style in document.-4 illustrates the difference between the ‘ideal’ element shape (left side) versus a less desirable, high aspect ratio element shape (right side); note the values of the Jacobian. Figure Error! No text of specified style in document.‐4. Jacobian Distortion Check  Comparison of Meshed Elements to Ideally Shaped Elements  
  • 40. 40 | P a g e     APPENDIX C – MATERIAL PROPERTIES    Figure 38. MMPDS‐08 Table 3.6.20(b2), Design Mechanical and Physical Properties of 6061 Aluminum Alloy Plate.               
  • 41. 41 | P a g e     APPLICABLE DOCUMENTS‐DOUBLE CLICK TO OPEN  ASTM F2291—Standard Practice for Design of Amusement Rides and Devices