岳驚濤+付再康+黎靖鑫+衛(wèi)曉軍

摘 要 為了了解鋼絲繩彈簧對(duì)雙層擔(dān)架的減振能力，在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用ADAMS和MATLAB對(duì)雙層擔(dān)架減振模型進(jìn)行了聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，只采用一種型號(hào)的鋼絲繩彈簧對(duì)良好路況下的雙層擔(dān)架具有減振效果，而采用兩種型號(hào)的鋼絲繩彈在合適的參數(shù)下具有更加優(yōu)秀的減振效果。

關(guān)鍵詞 擔(dān)架減振 鋼絲繩彈簧 聯(lián)合仿真

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

為了提高運(yùn)輸過程中傷病員的舒適性，為了避免傷病員受到二次傷害，某型車載雙層擔(dān)架擬采用鋼絲繩彈簧進(jìn)行擔(dān)架減振。該擔(dān)架受振動(dòng)情況復(fù)雜，擔(dān)架減振裝置參數(shù)的選擇極大影響減振效果。為了在減少實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上對(duì)該雙層擔(dān)架進(jìn)行減振研究，本文在改裝車運(yùn)行于良好路況的道路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用ADAMS軟件和MATLAB軟件聯(lián)合仿真，對(duì)該型車載擔(dān)架減振系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化。這樣有效利用了ADAMS軟件的先進(jìn)分析功能和MATLAB軟件優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理功能，減小了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了設(shè)計(jì)效率。

1聯(lián)合仿真基本原理

擔(dān)架減振系統(tǒng)聯(lián)合仿真的關(guān)鍵包括了動(dòng)力學(xué)建模、數(shù)據(jù)處理以及接口技術(shù)。模型的動(dòng)力學(xué)模型在ADAMS里生成，數(shù)據(jù)處理采用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)，聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)是ADAMS的control模塊。圖1展示的就是ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真的框架圖。

在具體步驟上，首先利用Solidworks軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維模型，并將三維模型導(dǎo)入至ADAMS軟件中；利用ADAMS軟件完成該振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模，并且利用自帶的Control模塊生成被輸出模塊；然后將 ADAMS動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入到Matlab/Simulink模塊中；最后將Simulink模塊中生成數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab建立的數(shù)據(jù)分析程序，即可在ADAMS軟件和MATLAB之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

2擔(dān)架-人體的ADAMS動(dòng)力學(xué)建模

為了實(shí)現(xiàn)ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真優(yōu)化，首先，本文搭建了擔(dān)架-人體的ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，主要有以下幾步。

2.1雙層擔(dān)架建模

由于該型雙層擔(dān)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，直接在ADAMS軟件中建立該模型較為困難，因此依靠三維建模軟件Solidworks建立該擔(dān)架模型，之后導(dǎo)入ADAMS軟件。為便于仿真計(jì)算，在確保擔(dān)架整體尺寸、質(zhì)量值和質(zhì)心不變的情況下，消除了一些不必要的工藝裝飾，這些優(yōu)化不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成不良影響，擔(dān)架三維模型如下圖 所示。

2.2鋼絲繩彈簧減振裝置建模

鋼絲繩彈簧是一種典型的非線性隔振器類型，但其剛度的參數(shù)特性曲線具有較好的平滑性，因此可以在位移較小的工作位置附近時(shí)，可將其剛度系數(shù)視為線性。

仿真中，需要對(duì)鋼絲繩彈簧的剛度和阻尼系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，以便導(dǎo)入MATLAB軟件，一般鋼絲繩彈簧減振裝置在ADAMS中由襯套力模擬，但由于其不支持運(yùn)行函數(shù)VARVAL（），因此本文決定使用三個(gè)方向的作用力矢量來(lái)模擬鋼絲繩彈簧減震器。以其中一個(gè)支撐Y方向的受力為例進(jìn)行展示：

2.3輸入實(shí)驗(yàn)所得的振動(dòng)信號(hào)

該型擔(dān)架主要由四個(gè)支撐位置實(shí)現(xiàn)與車廂地板的連接，如圖2所示，為了模擬真實(shí)振動(dòng)情況，在該型擔(dān)架與地板的接觸點(diǎn)處設(shè)置振動(dòng)輸入。振動(dòng)輸入來(lái)源于改裝車輛在某高等級(jí)公路上的道路振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過相關(guān)濾波以及去去趨勢(shì)化處理后，得到的該工況下某個(gè)支撐位置的位移輸入為圖3所示：

其余支撐位置的位移也按照此方法獲取。

2.4臥姿人體建模

臥姿人體仿真模型仿真質(zhì)量采用GBT16440-1996的推薦值。由于傷病員通常以軟墊與擔(dān)架本體相隔，因此參照臥鋪客車臥位墊塊的相關(guān)參數(shù)，設(shè)置相應(yīng)剛度和阻尼系數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在靜止仰臥狀態(tài)下，身高1.72m的健康人體質(zhì)心位置約位于腳部上方約1m處。本文的臥姿人體仿真遵從GBT16440-1996和人體質(zhì)心位置進(jìn)行設(shè)置，相應(yīng)人體模型參數(shù)設(shè)置如表1：

最終，搭建好的模型如圖4所示：

3 ADAMS與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真

在建立好ADAMS模型后，在與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，有以下步驟：

a.確定ADAMS的輸入

在本文中，以采用減振器的剛度系數(shù)和阻尼比為輸入變量。

b.確定ADAMS的輸出

輸出變量為各擔(dān)架上臥姿人體各部位的加速度時(shí)域信號(hào)，以方便在Adams中計(jì)算1/3倍頻程均方根加速度，進(jìn)行臥姿人體舒適度評(píng)價(jià)。函數(shù)表達(dá)式為ACCY（MARKER）。

c.輸出ADAMS模型

在上面的工作中，已經(jīng)在ADAMS/view擔(dān)架振動(dòng)系統(tǒng)模型中確定好了模型的輸入和輸出等重要參數(shù)。接下來(lái)就要應(yīng)用ADAMS/control模塊，定義輸入和輸出變量，同時(shí)生成和MATLAB聯(lián)合仿真所必須的相關(guān)文件。通過Export命令，將生成co_simulation_11.m文件，ADAMS/CONCROL將輸入和輸出信息保存在m文件中，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)cmd后綴（View文件）和一個(gè)adm后綴（solver命令文件），這兩個(gè)文件用于協(xié)同仿真。

d.在MATLAB中使用ADAMS模型

啟動(dòng)MATLAB程序，在命令窗口中輸入命令：co_simulation_11，再次輸入命令A(yù)DAMS_sys，開始導(dǎo)入ADAMS模塊。該模塊就完全包含了擔(dān)架減振仿真系統(tǒng)的各種函數(shù)關(guān)系，加載了相應(yīng)的輸入、輸出模塊后，可以在Matlab進(jìn)行倍頻程分析。本文具體的simulink模塊如下圖所示：

4仿真分析

4.1雙層擔(dān)架減振裝置參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)

針對(duì)臥姿人體評(píng)價(jià)方法，我國(guó)頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT13442.1《人體全身振動(dòng)暴露的舒適性降低界限和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》，標(biāo)準(zhǔn)中采用的頭臀部位總計(jì)權(quán)加速度有效值法。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，上層擔(dān)架上臥姿人體受到的振動(dòng)往往大于下層擔(dān)架。為減小工作量的考慮，只以上層位置上臥姿人體頭-臀部位記權(quán)加速度有效值為優(yōu)化目標(biāo)。endprint

在建立聯(lián)合仿真模型后，設(shè)置減振裝置的剛度系數(shù)，即圖6中的k1，k2為較大值，模仿?lián)芘c車體的固態(tài)連接，在下表中進(jìn)行仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比：

可以看到仿真模型的加速度均方根值和實(shí)際加速度均方根值的誤差在8%以內(nèi)，可以用本模型模擬雙層擔(dān)架實(shí)際工作狀況。

4.2使用單類型減振裝置時(shí)的參數(shù)優(yōu)化分析

在進(jìn)行雙層擔(dān)架減振分析時(shí)，需要考慮改裝便捷性、減振效率等多方面因素。本節(jié)中，以加裝便捷為第一需求，只在車輛上只使用一種類型的鋼絲繩減振裝置進(jìn)行擔(dān)架減振。

4.2.1參數(shù)優(yōu)化范圍

該方案的優(yōu)化變量為鋼絲繩彈簧減振裝置的垂直剛度系數(shù)K和阻尼比。在確定參數(shù)的優(yōu)化范圍時(shí)，本文參照研究對(duì)象的實(shí)際情況，例如雙層擔(dān)架承載質(zhì)量、常用的減振器剛度、阻尼比范圍來(lái)確定。

為了保證擔(dān)架運(yùn)用過程中的穩(wěn)定性，根據(jù)擔(dān)架靜載時(shí)減振器的變形量不能過大的原則確定下限，而上限是根據(jù)擔(dān)架減振系統(tǒng)的實(shí)際工況來(lái)選取的，要保證減振器不能因?yàn)檫^硬而失去減振效果?？傮w規(guī)定該優(yōu)化下的約束條件為表3所示：

4.2.2最佳減振效果分析

由于使用一種類型減振裝置時(shí)，減振裝置減振效果僅受裝置的剛度系數(shù)和阻尼比影響，變量較少，可以直接在MATLAB中構(gòu)建變量矩陣，進(jìn)行減振效果的分析。剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)對(duì)臥姿傷病員振動(dòng)舒適度的影響如下圖所示：

從圖中可知，在該工況下，改裝車的振動(dòng)效果與減振器阻尼比和剛度系數(shù)有關(guān)，在本文所選的參數(shù)范圍內(nèi)，振動(dòng)效果隨著剛度系數(shù)的增加而增大，隨著阻尼比的增大而減小。同時(shí)易見，剛度系數(shù)對(duì)減振效果影響較大。在該次試驗(yàn)所示的工況下，為實(shí)現(xiàn)擔(dān)架上方臥姿人體所受加權(quán)加速度值最小，鋼絲繩彈簧減振器的剛度值應(yīng)設(shè)置40N/mm，阻尼比應(yīng)設(shè)置為0.25，在此時(shí)減振裝置的減振效果分析如下表所示

表中顯示，相對(duì)于不安裝減振裝置時(shí)，安裝了合適參數(shù)的鋼絲繩彈簧減振器后，臥姿人體受到的均方根加速度減小明顯，減振效率為38.4%。

4.3使用雙類型減振元件的優(yōu)化分析

在彈簧剛度為較大值時(shí)，通過對(duì)不附加驅(qū)動(dòng)時(shí)的雙層擔(dān)架進(jìn)行穩(wěn)定后的受力分析，結(jié)果如表5所示，擔(dān)架右側(cè)支撐（三號(hào)、四號(hào)）位置受力遠(yuǎn)大于擔(dān)架左側(cè)（一號(hào)、二號(hào)）支撐位置受力，最大的差距可以達(dá)到七倍。

相關(guān)文獻(xiàn)提出，提高減振系統(tǒng)性能最有效的方法就是使減振物體質(zhì)量分布在安裝點(diǎn)之間，并使用剛度與承載質(zhì)量成正比。為了研究更優(yōu)秀的減振情況，考慮在擔(dān)架左右兩側(cè)設(shè)置不同剛度的鋼絲繩減震器。

4.3.1參數(shù)優(yōu)化范圍

在進(jìn)行具體分析時(shí)，參照4.2節(jié)的分析，在該工況下該取值范圍內(nèi)的阻尼比（0.05-0.25），對(duì)減振裝置減振效果的影響不大，并且減振效果總是隨著阻尼比的增大而增大，而剛度系數(shù)對(duì)各工況下減振裝置的減振效果不僅影響較大，還較為復(fù)雜。因此本小節(jié)在兩側(cè)彈簧阻尼系數(shù)均設(shè)置為0.25的情況下確定2個(gè)優(yōu)化變量，分別為擔(dān)架右側(cè)減震器剛度系數(shù)K1，擔(dān)架左側(cè)減震器剛度K2。

結(jié)合雙層擔(dān)架承載質(zhì)量、常用的減振器剛度阻尼范圍和左右側(cè)減振器實(shí)際受力。同樣根據(jù)保證擔(dān)架靜載時(shí)減振器的變形量和工作時(shí)的減振效果雙方考慮。規(guī)定該優(yōu)化下的約束條件如下表6所示 ：

4.3.2減振效果分析

經(jīng)過仿真分析，兩側(cè)減振器剛度對(duì)雙層擔(dān)架對(duì)臥姿傷病員振動(dòng)舒適度的影響如下圖所示：

從圖中可知，改裝車的振動(dòng)效果與擔(dān)架兩側(cè)剛度系數(shù)有關(guān)，在本文所選的參數(shù)范圍內(nèi)，振動(dòng)效果隨著兩側(cè)剛度系數(shù)的增加而增大。在本工況下，安裝兩種合適參數(shù)剛度的鋼絲繩彈簧的減振效果得到進(jìn)一步優(yōu)化，在取到最小均方根加速度時(shí)，右側(cè)鋼絲繩彈簧減振器K1的剛度值應(yīng)設(shè)置40N/mm，左側(cè)的剛度值K2應(yīng)設(shè)置為10 N/mm，在此時(shí)減振裝置的減振效果分析如下表所示：

表中顯示，相對(duì)于不安裝減振裝置時(shí)，安裝了兩種合適剛度的鋼絲繩彈簧減振器后，臥姿人體受到的均方根加速度減小明顯，減振效率為61.3%；相對(duì)于只安裝一種類型減振裝置時(shí)的減振情況，減振效率提高了37.1%。

5小結(jié)

本章利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用利用了擔(dān)架減振系統(tǒng)的ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真，進(jìn)行擔(dān)架安裝鋼絲繩彈簧減振系統(tǒng)的優(yōu)化研究。得到以下結(jié)論：

（1）采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件可以近似模擬真實(shí)工作情況，減少了實(shí)驗(yàn)工作量，節(jié)約時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

（2）在ADAMS里直接計(jì)算1/3倍頻程均方根加速度較為不便，因此選擇利用ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真，這樣既有效利用了ADAMS軟件的先進(jìn)分析功能，也利用了MATLAB軟件優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理功能。

（3）在該工況下，鋼絲繩彈簧減振裝置具有良好的減振效果，采取了合適的剛度系數(shù)、阻尼比后，減振效率可以達(dá)到38.4%。同時(shí)，仿真結(jié)果表明，在雙層擔(dān)架兩側(cè)受力不均的情況下，采取兩種不同剛度的減振裝置可以獲得比單一剛度的減振裝置更好的減振效果，采取合適參數(shù)后，減振效率達(dá)到了61.3%。

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