新型血液防振蕩儲運裝置隔振性能優(yōu)化研究

楊 猛，王 猛，張孝強，駱星九

（中國人民解放軍 海軍特色醫(yī)學(xué)中心，200433 上海）

懸掛式減振系統(tǒng)以彈簧（含阻尼）作為減振緩沖元件將被隔振物懸吊于減振系統(tǒng)內(nèi)部，如圖1所示。這種減振系統(tǒng)特別適用于脆值較低的精密儀器設(shè)備的隔振，如大型電子管、制導(dǎo)裝置等，它可以使被隔振物在多個方向上都能得到緩沖保護(hù)，而且實現(xiàn)起來比較容易，因此在運輸過程中應(yīng)用較多，尤其是在空投和軍事領(lǐng)域[1-10]。

圖1 懸掛式減振系統(tǒng)

而血液在運輸過程中較易發(fā)生由振動引起的振蕩性溶血（細(xì)胞膜破裂造成K+、FHb上升），進(jìn)而引起血液失效[11]，造成極大的浪費。為解決這一問題，本文在懸掛式減振系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上設(shè)計一種新型血液防振蕩儲運裝置，以期能夠降低運輸過程中的振動對血液保存質(zhì)量的影響，進(jìn)而延長血液的保存周期。

1 新型血液防振蕩儲運裝置隔振性能驗證計算

新型血液防振蕩儲運裝置具有兩級減振系統(tǒng)，主要由空氣彈簧、外框架、鋼絲繩隔振器、內(nèi)框架、滑軌和儲血框組成，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)三向隔振，并滿足集約化要求，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型血液防振蕩儲運裝置

本文采用動力學(xué)分析軟件ADAMS對新型血液防振蕩儲運裝置進(jìn)行研究，以驗證裝置的隔振效率，具體步驟如下：

（1）建立新型血液防振蕩儲運裝置的三維實體模型（本文采用Solidworks建模）；

（2）將三維實體模型保存成Parasolid 格式，并導(dǎo)入ADAMS；

（3）在原有減振器的位置加入力模塊（Force，以下簡稱力），轉(zhuǎn)變成如圖3所示的模型，其中，紅色部分為彈簧和力，斜向力模擬鋼絲繩隔振器，垂向力模擬空氣彈簧，水平彈簧主要用來限定模型振動方向，質(zhì)量塊用來模擬地板，血液（用blood表示）簡化為質(zhì)量塊，與儲血框固連；

（4）限定模型下部的四個質(zhì)量塊沿垂直方向運動，對每個質(zhì)量塊施加位移激勵，激勵數(shù)據(jù)為某履帶急救車在越野路上的車廂地板振動數(shù)據(jù)，時長176.124 s，采樣頻率250 Hz，其時域波形如圖4所示；

圖4 激勵數(shù)據(jù)

（5）對模型進(jìn)行驗證計算。

針對圖3模型，斜向力代表鋼絲繩隔振器，其剛度和阻尼分別為50 N/mm和5 N·s/mm；垂向力代表空氣彈簧，設(shè)空氣彈簧非線性力的表達(dá)式為k1x+k2x2+k3x3+cx[12]，其 中k1、k2、k3和c分別為40 N/mm、10 N/mm2、10 N/mm3和10 N·s/mm；水平彈簧主要用于限定模型運動方向，其剛度和阻尼分別為100 N/mm、10 N·s/mm；內(nèi)框架、外框架和儲血框設(shè)定為鋼材料，密度為7 800 kg/m3；血液的密度設(shè)定為1 000 kg/m3；blood1～blood4代表血液。經(jīng)過仿真計算，可以獲得質(zhì)量塊和blood1～blood4 質(zhì)心處的垂向振動加速度如圖5所示。

圖3 新型血液防振蕩儲運裝置振動模型

由圖5 可知，經(jīng)過兩級隔振系統(tǒng)的減振，blood1～blood4 的垂向振動加速度基本相同，這說明隨著高度的增加，血液的垂向振動加速度并沒有大幅度改變，即血液儲存位置的高低對隔振效果影響不大。此外，blood1與質(zhì)量塊相比，垂向振動加速度大幅度減小，這說明該裝置的隔振效果非常明顯。為了進(jìn)一步明確該裝置的隔振效果，計算blood1～blood4以及質(zhì)量塊的垂向振動加速度功率譜密度和概率密度分布，如圖6所示。

圖5 振動加速度

圖6 功率譜密度與概率密度分布

由功率譜密度曲線可以看出，經(jīng)過該裝置的減振，質(zhì)量塊在40 Hz～80 Hz 范圍內(nèi)的激振能量幾乎被完全消減，減振效果明顯，但對低于10 Hz的激振能量卻反而有放大作用，由于血液對高頻振動敏感，對低頻振動的耐受力相對好一些[13]，所以該裝置的減振對血液保存仍然具有明顯益處。由概率密度分布曲線可以看出，經(jīng)過該裝置的減振，血液的垂向振動加速度更加集中于0 m/s2附近，振動環(huán)境得到明顯改善。

以垂向振動加速度均方根值來代表振動能量，經(jīng)過計算可得blood1～blood4和質(zhì)量塊的垂向振動加速度均方根值分別為2.454 5 m/s2、2.454 4 m/s2、2.454 4 m/s2、2.454 3 m/s2、11.176 3 m/s2。由以上計算結(jié)果可知，blood1～blood4 的垂向振動加速度均方根值基本沒有變化，再次驗證了儲存高度對血液振動能量基本沒有影響。blood1～blood4 相對于質(zhì)量塊，垂向振動加速度均方根值分別下降了78.04%、78.04%、78.04%、78.04%，減振效果非常明顯。

根據(jù)概率密度分布計算blood1～blood4 和質(zhì)量塊的垂向振動加速度在-0.1 m/s2～0.1 m/s2范圍內(nèi)的概率，分別為0.072、0.072、0.072、0.072、0.008 6，blood1～blood4 垂向振動加速度在-0.1 m/s2～0.1 m/s2范圍內(nèi)的概率相比于質(zhì)量塊分別提高了737.3%、737.3%、737.3%、737.3%。由以上計算結(jié)果可知，經(jīng)過該裝置的減振，血液垂向振動加速度更加集中于0附近。

綜合以上分析結(jié)果，經(jīng)過本文所設(shè)計的血液防振蕩儲運裝置的減振，血液所承受的振動能量在理論上可以下降78.04%，垂向振動加速度在-0.1 m/s2至0.1 m/s2范圍內(nèi)的概率在理論上可以提高737.3%，血液的振動環(huán)境得到明顯改善，隔振效果滿足使用要求。

2 新型血液防振蕩儲運裝置抗沖擊性能驗證計算

對新型血液防振蕩儲運裝置的抗沖擊性能進(jìn)行驗證計算，裝置各物理參數(shù)與第1節(jié)相同，改變激勵數(shù)據(jù)，在ADAMS中以雙STEP函數(shù)求和的方式來表示沖擊激勵。本次計算采用位移激勵，激勵幅值為30 mm，激勵時間從2.5 s開始，至3 s結(jié)束，仿真時間為6 s，激勵點數(shù)設(shè)置為1 000，具體形式為先逐漸增加，至最大值后再逐漸減小，表達(dá)式如下：STEP(time，2.5，0，2.75，30)+STEP(time，2.75，0，3，-30)。由第1 節(jié)分析可知，血液儲存高度對血液所承受的振動能量基本沒有影響，因此以blood1 處的沖擊響應(yīng)代表血液的沖擊響應(yīng)，具體如圖7所示。

圖7 沖擊響應(yīng)

由圖7 可以看出，從激勵結(jié)束開始（3 s），blood1的沖擊響應(yīng)經(jīng)歷大約1 s便衰減至0 mm。沖擊激勵的峰值為30 mm，而沖擊響應(yīng)的峰值僅為17.448 9 mm，下降41.84%，下降幅度明顯，這充分證明了本文所設(shè)計的新型血液防振蕩儲運裝置具有明顯的抗沖擊效果。

3 新型血液防振蕩儲運裝置敏感度分析

針對新型血液防振蕩儲運裝置進(jìn)行敏感度分析，觀察裝置各參數(shù)對blood1 垂向振動加速度均方根值的影響程度。ADAMS可以計算出參數(shù)在不同值處的敏感度值，不同值所對應(yīng)的敏感度一般是不同的。針對于本次分析，我們主要計算各個參數(shù)在初始值（第1 節(jié)中各個參數(shù)的值）處的敏感度值，激勵數(shù)據(jù)與第1節(jié)相同，計算結(jié)果如表1所示，表中Kx、Cx分別代表鋼絲繩隔振器的剛度和阻尼，k1、k2、k3和c為第1節(jié)中空氣彈簧非線性力表達(dá)式中的參數(shù)。

表1 敏感度計算結(jié)果

由表1可以看出，在初始值處，敏感度大小的順序為：k3＞Kx＞k1＞c＞k2＞Cx。敏感度越大，說明影響程度越大，即在初始值處，k3對blood1垂向振動加速度均方根值的影響程度最大，Cx的影響程度最小。

4 新型血液防振蕩儲運裝置優(yōu)化研究

本文采用MATLAB 與ADAMS 聯(lián)合仿真的方法對新型血液防振蕩儲運裝置進(jìn)行優(yōu)化研究。首先，在ADAMS 中建立7 個系統(tǒng)狀態(tài)變量，分別代表鋼絲繩隔振器的剛度和阻尼（Kx、Cx）、空氣彈簧非線性力表達(dá)式中的參數(shù)（k1、k2、k3及c）、和blood1 垂向振動加速度均方根值。其次，將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián)并指定輸入變量與輸出變量，針對于本次計算，設(shè)鋼絲繩隔振器的剛度和阻尼（Kx、Cx）、空氣彈簧非線性力表達(dá)式中的參數(shù)（k1、k2、k3和c）為輸入變量，blood1 垂向振動加速度均方根值為輸出變量。然后，導(dǎo)出控制模型，控制軟件設(shè)置為MATLAB，分析類型設(shè)置為nonlinear，求解器設(shè)置為Fortran。最后，在MATLAB 中導(dǎo)入ADAMS 生成的模型，建立包含ADAMS_sub 的simulink 模型，并設(shè)置MATLAB 與ADAMS的交互參數(shù)以及仿真運算的參數(shù)。完成以上設(shè)置之后，ADAMS 的模型就可以在MATLAB 中計算，采用遺傳算法對以上模型進(jìn)行優(yōu)化計算，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為blood1 垂向振動加速度均方根值，激勵數(shù)據(jù)和各參數(shù)的初始值與第1 節(jié)相同，經(jīng)過計算可以獲得最優(yōu)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化結(jié)果

將以上參數(shù)重新帶入ADAMS 的模型進(jìn)行計算，可得優(yōu)化前后blood1 垂向振動加速度功率譜密度和概率密度分布對比如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后對比

由功率譜密度對比可以看出，優(yōu)化后在10 Hz～20 Hz 和40 Hz～80 Hz 范圍內(nèi)blood1 的振動能量明顯下降。由概率密度分布對比可以看出，blood1 垂向振動加速度在-0.1 m/s2至0.1 m/s2范圍內(nèi)的概率明顯上升。優(yōu)化后，blood1 垂向振動加速度均方根值為1.475 6 m/s2（優(yōu)化前為2.454 5 m/s2），比優(yōu)化前下降39.88%，blood1 垂向振動加速度在-0.1 m/s2至0.1 m/s2范圍內(nèi)的概率為0.157 8（優(yōu)化前為0.072），比優(yōu)化前上升了119.1%。綜合以上分析，優(yōu)化后血液的振動能量明顯下降，振動環(huán)境得到明顯改善。

5 結(jié)語

本文在懸掛式減振系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上設(shè)計實現(xiàn)了一種新型血液防振蕩儲運裝置，然后通過動力學(xué)分析軟件ADAMS 驗證了該裝置的有效性，并通過遺傳算法獲得了該裝置的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。本文的研究成果可以為血液的運輸防護(hù)提供一種新思路，具有較好的實用價值。