履带急救车非线性减振系统振动特性分析与结构优化研究

摘要

履带急救车能通过山地、丛林、沙漠、沼泽、冰雪地等复杂地形运送伤病员，并能对伤病员实施除颤监护、呼吸吸引、输液供氧等途中紧急救治，是我军军事斗争和非战争军事行动中卫勤保障力量的重要组成部分。由于履带急救车主要应用在路况较差的地形，振动环境较为恶劣，如果其车载减振系统不能有效地抑制由路面不平度引起的振动现象，将极易引发伤病员的二次伤害。因此，对履带急救车非线性减振系统进行性能优化具有重要的现实意义。
　　本文综合运用智能优化算法、多尺度法、精细积分法等方法，对履带急救车非线性减振系统进行振动特性分析与优化研究，主要工作和结论如下：
　　(1)根据《GB/T1394-1990汽车道路行驶试验方法》、《GJB59.15-88装甲车辆试验规程——野外振动试验》等标准，在汽车试验场对履带急救车进行野外行驶振动试验，获得了履带急救车后车底盘纵梁、大板车厢底板、医务人员座椅和担架台在越野路（18km/h）、起伏路（15km/h）、砂石路（20、30、40km/h）和水泥路（30、40、50km/h）条件下的振动加速度信号，所获振动信号全面反映了履带急救车后车的振动情况，为本文后续研究奠定了良好的数据基础。
　　(2)针对履带急救车非线性减振系统结构参数不明的问题，提出了一种新型多目标参数辨识方法，由改进的分块增维精细积分法和NSGA-II（Nondomin-ated Sorting Genetic Algorithm II）组成。应用该方法，以担架台垂向振动加速度功率谱密度和概率分布为评价指标，对履带急救车非线性减振系统两自由度模型进行参数辨识，获得了其在越野路(18km/h)、起伏路(15km/h)、砂石路(40km/h)和水泥路(40km/h)四种路况下的等效物理参数，并对辨识结果进行了准确性检验。结果表明：辨识结果与试验结果的概率分布吻合程度高，功率谱密度的峰值位置和变化趋势一致性好，幅值略有差别，但在允许范围之内，辨识结果满足使用要求。由此也证明了本文所提出的新型多目标参数辨识方法的有效性。
　　(3)对研究非线性振动的解析方法和数值方法进行了对比研究。解析方法采用多尺度法，数值方法采用改进的分块增维精细积分法，并以 Runge-Kutta法作为数值方法的对比算法。对比研究的结果表明：解析方法和数值方法在分析履带急救车非线性减振系统两自由度模型时能够获得基本相同的结论，所求得的幅频响应曲线在主共振位置吻合程度较高，这说明两种方法在对低自由度非线性振动系统进行定量分析计算时是基本等效的，但是解析方法在求解过程中限制条件较多，并且很难求解非线性系统在随机激励下的解析解，而数值方法则不受这些条件的限制，所以本文后续研究均以数值方法为基础展开。
　　(4)分析了履带急救车非线性减振系统在随机激励下的振动特性，并对其减振性能进行了优化。首先，应用Sobol法研究了履带急救车非线性减振系统各参数对于担架台垂向振动加权加速度均方根值的全局灵敏度，获得了参数的重要性排序：C2、K2、C1、Ks、Kz，其中，Ks、Kz、C1为零刚度减振器的线性刚度、三次非线性刚度和阻尼，K2、C2为橡胶阻尼减振器的刚度和阻尼。然后，应用改进的分块增维精细积分法对履带急救车非线性减振系统进行振动特性分析，获得了减振系统各参数对于担架台垂向振动加权加速度均方根值的影响规律。最后，应用遗传算法对履带急救车非线性减振系统进行参数优化，使担架台垂向振动加权加速度均方根值下降了27.6％、担架台垂向振动加速度在-0.12m/s2至0.12m/s2范围内的概率增加了9.8%，减振系统的性能得到了明显改善。
　　(5)对履带急救车非线性减振系统进行了结构优化研究。首先，在借鉴动力吸振器原理的基础上，提出了两种担架台结构优化方案，分别为线性优化方案和非线性优化方案，并以担架垂向振动加权加速度均方根值为评价指标，对两种结构优化方案进行了对比研究，结果显示线性优化方案的加权加速度均方根值比结构优化前下降了23.3%，而非线性优化方案的下降幅度为19.1%，线性优化方案优于非线性优化方案，而且线性优化方案的垂向安装尺寸小于非线性优化方案，所以本文选择线性优化方案为最终优化方案。此外本文还在冲击激励下对线性优化方案进行了验证，结果表明线性优化方案对于冲击激励的衰减效果明显好于结构优化前。其次，应用Sobol法研究了结构优化后减振系统各参数对于担架垂向振动加权加速度均方根值的全局灵敏度，获得了参数的重要性排序：C2、C1、K2、Kd、Ks、Cd、Kz，其中，Kd和 Cd为储物箱悬挂刚度和阻尼。然后，应用改进的分块增维精细积分法对结构优化后的减振系统进行振动特性分析，获得了减振系统各参数对于担架垂向振动加权加速度均方根值的影响规律。最后，应用NSGA-II对结构优化后的减振系统进行参数优化，使担架垂向振动加权加速度均方根值下降了12.1%，担架与储物箱之间的相对位移的均方根值下降了16.8%，减振系统的性能得到了进一步的改善。
　　本文的创新点主要在于提出了一种新型多目标参数辨识方法和基于“动力吸振器”原理的担架台结构优化方案。前者不需要设定初值，目标函数的个数也不受限制，可以在任意激励下对线性/非线性系统进行参数辨识，适用范围非常广泛；后者将储物箱从担架台中分离出来，形成“动力吸振器”，这样不仅增加了储物箱吸振一级，而且减小了减振器直接承载的质量，适应于各类对于振动环境具有特殊要求、并且带有较大附属质量的台体结构优化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 急救车减振系统研究现状

1.3 非线性随机振动研究现状

1.4 机械优化设计研究现状

1.5 研究目的和意义

1.6 主要研究内容

第2章 履带急救车野外行驶振动试验

2.1 试验目的

2.2 试验依据

2.3 试验对象

2.4 试验内容

2.5 试验条件

2.6 试验仪器设备

2.7 试验方法

2.8 试验数据采集

2.9 试验数据记录与分析

2.10 总结

第3章 履带急救车非线性减振系统等效物理参数辨识

3.1 引言

3.2 新型多目标参数辨识方法

3.3 非线性减振系统等效物理参数辨识

3.4 总结

第4章 履带急救车非线性减振系统分析方法对比研究

4.1 引言

4.2非线性减振系统动运动微分方程的建立

4.3 分析方法对比研究

4.4 总结

第5章 履带急救车非线性减振系统振动特性分析与参数优化研究

5.1 引言

5.2 非线性减振系统参数灵敏度分析

5.3 非线性减振系统振动特性分析

5.4 非线性减振系统参数优化

5.5 总结

第6章 履带急救车非线性减振系统结构优化研究

6.1 引言

6.2 非线性减振系统结构优化方案

6.3 非线性减振系统结构优化方案的对比研究

6.4 结构优化后非线性减振系统参数灵敏度分析

6.5 结构优化后非线性减振系统振动特性分析

6.6 结构优化后非线性减振系统参数优化

6.7 总结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文的创新之处

7.3 工作展望

参考文献

附录

附录A-1 主要符号说明

附录A-2 多目标参数辨识的Pareto解集

附录A-3 担架台结构优化方案垂向弹性恢复力的推导过程

附录A-4 多目标参数优化的Pareto解集

在学期间取得的成果及发表的代表性论著

作者简历

致谢