基于MATLAB和ADAMS聯(lián)合仿真的擔架減振系統(tǒng)分析

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雙層擔架的減振能力，在前期實驗基礎上，利用ADAMS和MATLAB對雙層擔架減振模型進行了聯(lián)合仿真。結果表明，只采用一種型號的鋼絲繩彈簧對良好路況下的雙層擔架具有減振效果，而采用兩種型號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。

關鍵詞 擔架減振 鋼絲繩彈簧 聯(lián)合仿真

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A

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

1聯(lián)合仿真基本原理

擔架減振系統(tǒng)聯(lián)合仿真的關鍵包括了動力學建模、數(shù)據(jù)處理以及接口技術。模型的動力學模型在ADAMS里生成，數(shù)據(jù)處理采用MATLAB軟件編程實現(xiàn)，聯(lián)合仿真的基礎是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軟件建立機械系統(tǒng)的三維模型，并將三維模型導入至ADAMS軟件中；利用ADAMS軟件完成該振動系統(tǒng)的動力學建模，并且利用自帶的Control模塊生成被輸出模塊；然后將 ADAMS動力學模型導入到Matlab/Simulink模塊中；最后將Simulink模塊中生成數(shù)據(jù)導入Matlab建立的數(shù)據(jù)分析程序，即可在ADAMS軟件和MATLAB之間實現(xiàn)聯(lián)合仿真。

2擔架-人體的ADAMS動力學建模

為了實現(xiàn)ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真優(yōu)化，首先，本文搭建了擔架-人體的ADAMS動力學模型，主要有以下幾步。

2.1雙層擔架建模

由于該型雙層擔架結構較為復雜，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建立該擔架模型，之后導入ADAMS軟件。為便于仿真計算，在確保擔架整體尺寸、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)化不會對仿真結果造成不良影響，擔架三維模型如下圖 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，可將其剛度系數(shù)視為線性。

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

2.3輸入實驗所得的振動信號

該型擔架主要由四個支撐位置實現(xiàn)與車廂地板的連接，如圖2所示，為了模擬真實振動情況，在該型擔架與地板的接觸點處設置振動輸入。振動輸入來源于改裝車輛在某高等級公路上的道路振動實驗，經(jīng)過相關濾波以及去去趨勢化處理后，得到的該工況下某個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架本體相隔，因此參照臥鋪客車臥位墊塊的相關參數(shù)，設置相應剛度和阻尼系數(shù)。根據(jù)相關文獻，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)心位置進行設置，相應人體模型參數(shù)設置如表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進行聯(lián)合仿真時，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

輸出變量為各擔架上臥姿人體各部位的加速度時域信號，以方便在Adams中計算1/3倍頻程均方根加速度，進行臥姿人體舒適度評價。函數(shù)表達式為ACCY（MARKER）。

c.輸出ADAMS模型

在上面的工作中，已經(jīng)在ADAMS/view擔架振動系統(tǒng)模型中確定好了模型的輸入和輸出等重要參數(shù)。接下來就要應用ADAMS/control模塊，定義輸入和輸出變量，同時生成和MATLAB聯(lián)合仿真所必須的相關文件。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，同時產(chǎn)生一個cmd后綴（View文件）和一個adm后綴（solver命令文件），這兩個文件用于協(xié)同仿真。

d.在MATLAB中使用ADAMS模型

啟動MATLAB程序，在命令窗口中輸入命令：co_simulation_11，再次輸入命令ADAMS_sys，開始導入ADAMS模塊。該模塊就完全包含了擔架減振仿真系統(tǒng)的各種函數(shù)關系，加載了相應的輸入、輸出模塊后，可以在Matlab進行倍頻程分析。本文具體的simulink模塊如下圖所示：

4仿真分析

4.1雙層擔架減振裝置參數(shù)的優(yōu)化目標

針對臥姿人體評價方法，我國頒布了國家標準GBT13442.1《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》，標準中采用的頭臀部位總計權加速度有效值法。此外，在實際應用中，上層擔架上臥姿人體受到的振動往往大于下層擔架。為減小工作量的考慮，只以上層位置上臥姿人體頭-臀部位記權加速度有效值為優(yōu)化目標。endprint

在建立聯(lián)合仿真模型后，設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，在下表中進行仿真結果與試驗結果的對比：

可以看到仿真模型的加速度均方根值和實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架實際工作狀況。

4.2使用單類型減振裝置時的參數(shù)優(yōu)化分析

在進行雙層擔架減振分析時，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行擔架減振。

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，本文參照研究對象的實際情況，例如雙層擔架承載質(zhì)量、常用的減振器剛度、阻尼比范圍來確定。

為了保證擔架運用過程中的穩(wěn)定性，根據(jù)擔架靜載時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)擔架減振系統(tǒng)的實際工況來選取的，要保證減振器不能因為過硬而失去減振效果?？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，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中構建變量矩陣，進行減振效果的分析。剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)對臥姿傷病員振動舒適度的影響如下圖所示：

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

表中顯示，相對于不安裝減振裝置時，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，通過對不附加驅(qū)動時的雙層擔架進行穩(wěn)定后的受力分析，結果如表5所示，擔架右側支撐（三號、四號）位置受力遠大于擔架左側（一號、二號）支撐位置受力，最大的差距可以達到七倍。

相關文獻提出，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，考慮在擔架左右兩側設置不同剛度的鋼絲繩減震器。

4.3.1參數(shù)優(yōu)化范圍

在進行具體分析時，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)對各工況下減振裝置的減振效果不僅影響較大，還較為復雜。因此本小節(jié)在兩側彈簧阻尼系數(shù)均設置為0.25的情況下確定2個優(yōu)化變量，分別為擔架右側減震器剛度系數(shù)K1，擔架左側減震器剛度K2。

結合雙層擔架承載質(zhì)量、常用的減振器剛度阻尼范圍和左右側減振器實際受力。同樣根據(jù)保證擔架靜載時減振器的變形量和工作時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，兩側減振器剛度對雙層擔架對臥姿傷病員振動舒適度的影響如下圖所示：

從圖中可知，改裝車的振動效果與擔架兩側剛度系數(shù)有關，在本文所選的參數(shù)范圍內(nèi)，振動效果隨著兩側剛度系數(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一步優(yōu)化，在取到最小均方根加速度時，右側鋼絲繩彈簧減振器K1的剛度值應設置40N/mm，左側的剛度值K2應設置為10 N/mm，在此時減振裝置的減振效果分析如下表所示：

表中顯示，相對于不安裝減振裝置時，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%；相對于只安裝一種類型減振裝置時的減振情況，減振效率提高了37.1%。

5小結

本章利用實驗數(shù)據(jù)，采用利用了擔架減振系統(tǒng)的ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真，進行擔架安裝鋼絲繩彈簧減振系統(tǒng)的優(yōu)化研究。得到以下結論：

（1）采用動力學仿真軟件可以近似模擬真實工作情況，減少了實驗工作量，節(jié)約時間和經(jīng)費。

（2）在ADAMS里直接計算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，減振效率可以達到38.4%。同時，仿真結果表明，在雙層擔架兩側受力不均的情況下，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，減振效率達到了61.3%。

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