新型血液防振蕩儲運裝置隔振性能優化研究

楊 猛，王 猛，張孝強，駱星九

（中國人民解放軍 海軍特色醫學中心，200433 上海）

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

圖1 懸掛式減振系統

而血液在運輸過程中較易發生由振動引起的振蕩性溶血（細胞膜破裂造成K+、FHb上升），進而引起血液失效[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的基礎之上設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量的影響，進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，主要由空氣彈簧、外框架、鋼絲繩隔振器、內框架、滑軌和儲血框組成，該裝置能夠實現三向隔振，并滿足集約化要求，具體結構如圖2所示。

圖2 新型血液防振蕩儲運裝置

本文采用動力學分析軟件ADAMS對新型血液防振蕩儲運裝置進行研究，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，并導入ADAMS；

（3）在原有減振器的位置加入力模塊（Force，以下簡稱力），轉變成如圖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，質量塊用來模擬地板，血液（用blood表示）簡化為質量塊，與儲血框固連；

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

圖4 激勵數據

（5）對模型進行驗證計算。

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，設空氣彈簧非線性力的表達式為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；內框架、外框架和儲血框設定為鋼材料，密度為7 800 kg/m3；血液的密度設定為1 000 kg/m3；blood1～blood4代表血液。經過仿真計算，可以獲得質量塊和blood1～blood4 質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，經過兩級隔振系統的減振，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。為了進一步明確該裝置的隔振效果，計算blood1～blood4以及質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，經過該裝置的減振，質量塊在40 Hz～80 Hz 范圍內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，經過計算可得blood1～blood4和質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。

根據概率密度分布計算blood1～blood4 和質量塊的垂向振動加速度在-0.1 m/s2～0.1 m/s2范圍內的概率，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范圍內的概率相比于質量塊分別提高了737.3%、737.3%、737.3%、737.3%。由以上計算結果可知，經過該裝置的減振，血液垂向振動加速度更加集中于0附近。

綜合以上分析結果，經過本文所設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范圍內的概率在理論上可以提高737.3%，血液的振動環境得到明顯改善，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行驗證計算，裝置各物理參數與第1節相同，改變激勵數據，在ADAMS中以雙STEP函數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結束，仿真時間為6 s，激勵點數設置為1 000，具體形式為先逐漸增加，至最大值后再逐漸減小，表達式如下：STEP(time，2.5，0，2.75，30)+STEP(time，2.75，0，3，-30)。由第1 節分析可知，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 處的沖擊響應代表血液的沖擊響應，具體如圖7所示。

圖7 沖擊響應

由圖7 可以看出，從激勵結束開始（3 s），blood1的沖擊響應經歷大約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行敏感度分析，觀察裝置各參數對blood1 垂向振動加速度均方根值的影響程度。ADAMS可以計算出參數在不同值處的敏感度值，不同值所對應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在初始值（第1 節中各個參數的值）處的敏感度值，激勵數據與第1節相同，計算結果如表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節中空氣彈簧非線性力表達式中的參數。

表1 敏感度計算結果

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化研究

本文采用MATLAB 與ADAMS 聯合仿真的方法對新型血液防振蕩儲運裝置進行優化研究。首先，在ADAMS 中建立7 個系統狀態變量，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式中的參數（k1、k2、k3及c）、和blood1 垂向振動加速度均方根值。其次，將狀態變量與模型關聯并指定輸入變量與輸出變量，針對于本次計算，設鋼絲繩隔振器的剛度和阻尼（Kx、Cx）、空氣彈簧非線性力表達式中的參數（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，導出控制模型，控制軟件設置為MATLAB，分析類型設置為nonlinear，求解器設置為Fortran。最后，在MATLAB 中導入ADAMS 生成的模型，建立包含ADAMS_sub 的simulink 模型，并設置MATLAB 與ADAMS的交互參數以及仿真運算的參數。完成以上設置之后，ADAMS 的模型就可以在MATLAB 中計算，采用遺傳算法對以上模型進行優化計算，目標函數設定為blood1 垂向振動加速度均方根值，激勵數據和各參數的初始值與第1 節相同，經過計算可以獲得最優設計參數如表2所示。

表2 優化結果

將以上參數重新帶入ADAMS 的模型進行計算，可得優化前后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 優化前后對比

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

5 結語

本文在懸掛式減振系統的基礎之上設計實現了一種新型血液防振蕩儲運裝置，然后通過動力學分析軟件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設計參數。本文的研究成果可以為血液的運輸防護提供一種新思路，具有較好的實用價值。