基于MATLAB和ADAMS联合仿真的担架减振系统分析

岳惊涛+付再康+黎靖鑫+卫晓军

摘 要 为了了解钢丝绳弹簧对双层担架的减振能力，在前期实验基础上，利用ADAMS和MATLAB对双层担架减振模型进行了联合仿真。结果表明，只采用一种型号的钢丝绳弹簧对良好路况下的双层担架具有减振效果，而采用两种型号的钢丝绳弹在合适的参数下具有更加优秀的减振效果。

关键词 担架减振 钢丝绳弹簧 联合仿真

中图分类号：U467 文献标识码：A

为了提高运输过程中伤病员的舒适性，为了避免伤病员受到二次伤害，某型车载双层担架拟采用钢丝绳弹簧进行担架减振。该担架受振动情况复杂，担架减振装置参数的选择极大影响减振效果。为了在减少实验步骤和实验内容的基础上对该双层担架进行减振研究，本文在改装车运行于良好路况的道路实验数据基础上，采用ADAMS软件和MATLAB软件联合仿真，对该型车载担架减振系统进行仿真优化。这样有效利用了ADAMS软件的先进分析功能和MATLAB软件优秀的数据处理功能，减小了实验内容，提高了设计效率。

1联合仿真基本原理

担架减振系统联合仿真的关键包括了动力学建模、数据处理以及接口技术。模型的动力学模型在ADAMS里生成，数据处理采用MATLAB软件编程实现，联合仿真的基础是ADAMS的control模块。图1展示的就是ADAMS和MATLAB联合仿真的框架图。

在具体步骤上，首先利用Solidworks软件建立机械系统的三维模型，并将三维模型导入至ADAMS软件中；利用ADAMS软件完成该振动系统的動力学建模，并且利用自带的Control模块生成被输出模块；然后将 ADAMS动力学模型导入到Matlab/Simulink模块中；最后将Simulink模块中生成数据导入Matlab建立的数据分析程序，即可在ADAMS软件和MATLAB之间实现联合仿真。

2担架-人体的ADAMS动力学建模

为了实现ADAMS与MATLAB联合仿真优化，首先，本文搭建了担架-人体的ADAMS动力学模型，主要有以下几步。

2.1双层担架建模

由于该型双层担架结构较为复杂，直接在ADAMS软件中建立该模型较为困难，因此依靠三维建模软件Solidworks建立该担架模型，之后导入ADAMS软件。为便于仿真计算，在确保担架整体尺寸、质量值和质心不变的情况下，消除了一些不必要的工艺装饰，这些优化不会对仿真结果造成不良影响，担架三维模型如下图 所示。

2.2钢丝绳弹簧减振装置建模

钢丝绳弹簧是一种典型的非线性隔振器类型，但其刚度的参数特性曲线具有较好的平滑性，因此可以在位移较小的工作位置附近时，可将其刚度系数视为线性。

仿真中，需要对钢丝绳弹簧的刚度和阻尼系数进行参数化设置，以便导入MATLAB软件，一般钢丝绳弹簧减振装置在ADAMS中由衬套力模拟，但由于其不支持运行函数VARVAL（），因此本文决定使用三个方向的作用力矢量来模拟钢丝绳弹簧减震器。以其中一个支撑Y方向的受力为例进行展示：

2.3输入实验所得的振动信号

该型担架主要由四个支撑位置实现与车厢地板的连接，如图2所示，为了模拟真实振动情况，在该型担架与地板的接触点处设置振动输入。振动输入来源于改装车辆在某高等级公路上的道路振动实验，经过相关滤波以及去去趋势化处理后，得到的该工况下某个支撑位置的位移输入为图3所示：

其余支撑位置的位移也按照此方法获取。

2.4卧姿人体建模

卧姿人体仿真模型仿真质量采用GBT16440-1996的推荐值。由于伤病员通常以软垫与担架本体相隔，因此参照卧铺客车卧位垫块的相关参数，设置相应刚度和阻尼系数。根据相关文献，在静止仰卧状态下，身高1.72m的健康人体质心位置约位于脚部上方约1m处。本文的卧姿人体仿真遵从GBT16440-1996和人体质心位置进行设置，相应人体模型参数设置如表1：

最终，搭建好的模型如图4所示：

3 ADAMS与MATLAB/Simulink的联合仿真

在建立好ADAMS模型后，在与MATLAB进行联合仿真时，有以下步骤：

a.确定ADAMS的输入

在本文中，以采用减振器的刚度系数和阻尼比为输入变量。

b.确定ADAMS的输出

输出变量为各担架上卧姿人体各部位的加速度时域信号，以方便在Adams中计算1/3倍频程均方根加速度，进行卧姿人体舒适度评价。函数表达式为ACCY（MARKER）。

c.输出ADAMS模型

在上面的工作中，已经在ADAMS/view担架振动系统模型中确定好了模型的输入和输出等重要参数。接下来就要应用ADAMS/control模块，定义输入和输出变量，同时生成和MATLAB联合仿真所必须的相关文件。通过Export命令，将生成co_simulation_11.m文件，ADAMS/CONCROL将输入和输出信息保存在m文件中，同时产生一个cmd后缀（View文件）和一个adm后缀（solver命令文件），这两个文件用于协同仿真。

d.在MATLAB中使用ADAMS模型

启动MATLAB程序，在命令窗口中输入命令：co_simulation_11，再次输入命令ADAMS_sys，开始导入ADAMS模块。该模块就完全包含了担架减振仿真系统的各种函数关系，加载了相应的输入、输出模块后，可以在Matlab进行倍频程分析。本文具体的simulink模块如下图所示：

4仿真分析

4.1双层担架减振装置参数的优化目标

针对卧姿人体评价方法，我国颁布了国家标准GBT13442.1《人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则》，标准中采用的头臀部位总计权加速度有效值法。此外，在实际应用中，上层担架上卧姿人体受到的振动往往大于下层担架。为减小工作量的考虑，只以上层位置上卧姿人体头-臀部位记权加速度有效值为优化目标。endprint

在建立联合仿真模型后，设置减振装置的刚度系数，即图6中的k1，k2为较大值，模仿担架与车体的固态连接，在下表中进行仿真结果与试验结果的对比：

可以看到仿真模型的加速度均方根值和实际加速度均方根值的误差在8%以内，可以用本模型模拟双层担架实际工作状况。

4.2使用单类型减振装置时的参数优化分析

在进行双层担架减振分析时，需要考虑改装便捷性、减振效率等多方面因素。本节中，以加装便捷为第一需求，只在车辆上只使用一种类型的钢丝绳减振装置进行担架减振。

4.2.1参数优化范围

该方案的优化变量为钢丝绳弹簧减振装置的垂直刚度系数K和阻尼比。在确定参数的优化范围时，本文参照研究对象的实际情况，例如双层担架承载质量、常用的减振器刚度、阻尼比范围来确定。

为了保证担架运用过程中的稳定性，根据担架静载时减振器的变形量不能过大的原则确定下限，而上限是根据担架减振系统的实际工况来选取的，要保证减振器不能因为过硬而失去减振效果。总体规定该优化下的约束条件为表3所示：

4.2.2最佳减振效果分析

由于使用一种类型减振装置时，减振装置减振效果仅受装置的刚度系数和阻尼比影响，变量较少，可以直接在MATLAB中构建变量矩阵，进行减振效果的分析。刚度系数和阻尼系数对卧姿伤病员振动舒适度的影响如下图所示：

从图中可知，在该工况下，改装车的振动效果与减振器阻尼比和刚度系數有关，在本文所选的参数范围内，振动效果随着刚度系数的增加而增大，随着阻尼比的增大而减小。同时易见，刚度系数对减振效果影响较大。在该次试验所示的工况下，为实现担架上方卧姿人体所受加权加速度值最小，钢丝绳弹簧减振器的刚度值应设置40N/mm，阻尼比应设置为0.25，在此时减振装置的减振效果分析如下表所示

表中显示，相对于不安装减振装置时，安装了合适参数的钢丝绳弹簧减振器后，卧姿人体受到的均方根加速度减小明显，减振效率为38.4%。

4.3使用双类型减振元件的优化分析

在弹簧刚度为较大值时，通过对不附加驱动时的双层担架进行稳定后的受力分析，结果如表5所示，担架右侧支撑（三号、四号）位置受力远大于担架左侧（一号、二号）支撑位置受力，最大的差距可以达到七倍。

相关文献提出，提高减振系统性能最有效的方法就是使减振物体质量分布在安装点之间，并使用刚度与承载质量成正比。为了研究更优秀的减振情况，考虑在担架左右两侧设置不同刚度的钢丝绳减震器。

4.3.1参数优化范围

在进行具体分析时，参照4.2节的分析，在该工况下该取值范围内的阻尼比（0.05-0.25），对减振装置减振效果的影响不大，并且减振效果总是随着阻尼比的增大而增大，而刚度系数对各工况下减振装置的减振效果不仅影响较大，还较为复杂。因此本小节在两侧弹簧阻尼系数均设置为0.25的情况下确定2个优化变量，分别为担架右侧减震器刚度系数K1，担架左侧减震器刚度K2。

结合双层担架承载质量、常用的减振器刚度阻尼范围和左右侧减振器实际受力。同样根据保证担架静载时减振器的变形量和工作时的减振效果双方考虑。规定该优化下的约束条件如下表6所示 ：

4.3.2减振效果分析

经过仿真分析，两侧减振器刚度对双层担架对卧姿伤病员振动舒适度的影响如下图所示：

从图中可知，改装车的振动效果与担架两侧刚度系数有关，在本文所选的参数范围内，振动效果随着两侧刚度系数的增加而增大。在本工况下，安装两种合适参数刚度的钢丝绳弹簧的减振效果得到进一步优化，在取到最小均方根加速度时，右侧钢丝绳弹簧减振器K1的刚度值应设置40N/mm，左侧的刚度值K2应设置为10 N/mm，在此时减振装置的减振效果分析如下表所示：

表中显示，相对于不安装减振装置时，安装了两种合适刚度的钢丝绳弹簧减振器后，卧姿人体受到的均方根加速度减小明显，减振效率为61.3%；相对于只安装一种类型减振装置时的减振情况，减振效率提高了37.1%。

5小结

本章利用实验数据，采用利用了担架减振系统的ADAMS和MATLAB的联合仿真，进行担架安装钢丝绳弹簧减振系统的优化研究。得到以下结论：

（1）采用动力学仿真软件可以近似模拟真实工作情况，减少了实验工作量，节约时间和经费。

（2）在ADAMS里直接计算1/3倍频程均方根加速度较为不便，因此选择利用ADAMS与MATLAB的联合仿真，这样既有效利用了ADAMS软件的先进分析功能，也利用了MATLAB软件优秀的数据处理功能。

（3）在该工况下，钢丝绳弹簧减振装置具有良好的减振效果，采取了合适的刚度系数、阻尼比后，减振效率可以达到38.4%。同时，仿真结果表明，在双层担架两侧受力不均的情况下，采取两种不同刚度的减振装置可以获得比单一刚度的减振装置更好的减振效果，采取合适参数后，减振效率达到了61.3%。

参考文献

[1] 袁纲.公路卧铺客车卧位振动评价方法研究[D].西安：长安大学，2000.

[5] 李世明.人体环节质心位置测量仪的研制[J].北京体育大学学报，2005（01）：71-72.

[3] 彭波.铁道客车乘坐舒适性建模、仿真与虚拟试验研究[D].长沙：中南大学，2010.

[4] 王猛.基于ADAMS的急救车担架支架减振特性仿真分析与优化研究[D].北京：中国人民解放军军事医学科学院，2009.

[5] 马琴，戴凌汉，钱才富.钢丝绳减振器静刚度的模拟及影响因素分析[J].化工设备与管道，2014，51（01）：74-78.

[6] 吴善跃，朱石坚，黄映云.钢丝绳减振器冲击载荷特性模型研究[J].船舶力学，2009，13（01）：121-127.endprint