装备机动性（精选4篇）
装备机动性 篇1
车辆装备是军事装备体系的重要组成因素, 车辆装备保障在装备保障体系中同样占据着重要地位。保持和恢复车辆装备的技术性能, 对于确保各类军事行动顺利完成起着不可替代的作用。同时, 信息化条件下的局部战争, 具有全时空、高机动、高损耗的特点, 车辆装备保障必须适应这种快节奏的要求, 灵活机动、提高时效。
如何在把握战场态势的前提下, 根据车辆装备的战损情况以及现有的保障力量与资源, 合理地利用机动保障力量来完成车辆装备的抢修任务, 将直接影响到部队作战任务的完成。因此, 加强战时车辆装备机动保障方面的研究具有重要的意义。本文借助仿真技术对战时车辆装备机动保障指挥决策的相关问题进行了初步的研究。
1 仿真在战时车辆装备保障中的应用
战时装备保障, 不同于平时装备保障的最突出特点就是, 在注重经济效益的同时, 更看重军事效益, 要求装备保障及时、迅速、有力。在未来战场状况不确定的情况下, 利用计算机模拟所得的数据来科学拟订各种预案有着重要意义:它可以使车辆装备保障指挥人员通过对战时保障方案进行模拟仿真, 对各类保障物资的消耗和补充以及所需的保障力量进行预测;另外, 运用计算机仿真, 可以为指挥人员提供多种保障方案, 并通过运行仿真判断各方案的优劣, 为决策者提供重要的参考依据。本文即是运用仿真模拟战时车辆装备保障中指挥员依据现有的保障资源对保障方案进行决策的过程。
2 仿真模型的建立与分析
2.1 仿真的原则与要求
未来的局部战争, 战场环境恶劣, 车辆装备战损量大, 而部队自身的伴随保障力量保障资源和能力都有限。因此, 必须充分利用就近的机动保障力量。这就要求仿真必须根据车辆装备的维修保障任务以及各机动保障分队的人员素质、保障资源和保障能力来合理分配抢修任务。力求在上级规定的时间内, 以较小的代价恢复车辆遂行任务的能力。
2.2 仿真过程分析
鉴于EXTEND系统仿真软件在创建模型以及动态模拟各种离散或者连续事件等方面的突出优点【1】, 本文即运用EXTEND仿真来研究在一定的作战环境和任务需求情况下, 指挥员根据现有的保障资源和要求制定战损车辆装备的保障方案, 并对其进行优化。
在下面的实例中, 某机步师所属的运输分队在承担某运输任务时遭敌火力打击, 车辆战损情况较为严重。伴随保障能力不足, 需要及时支援保障。上级决定从就近的三个维修分队中紧急抽调人员组成三个维修保障单元前往支援。这三个保障单元的维修能力不同, 与运输分队的距离也不一样, 而且由于各自人员和设备等条件的限制, 所需的维修费用也不同。三个保障单元的具体情况如表1。
在仿真中假定三个保障单元的维修作业时间服从正态分布。为了方便建模, 各单元的作业时间均以分钟记, 现假定保障单元1的作业时间均值为45 (min) , 方差为25 (min) , 保障单元2的作业时间均值为65 (min) , 方差为64 (min) , 保障单元3的作业时间均值为90 (min) , 方差为100 (min) 。为了方便计算, 实例中给定了三个保障单元的平均作业成本。现假设战损车辆共计18台, 全部维修任务由三个保障单元联合完成, 且三个保障单元的维修机工具和设备齐全。考虑到各单元内部人员之间的协调配合问题, 原则上不拆散编制, 重新分组, 即以保障单元为单位受领任务【2】。而且为了尽快恢复运输分队的输送能力, 要求所有任务在8小时即480 min以内完成, 同时考虑到经济效益, 要求维修费用尽可能少。
该例子可以归结为一个有约束条件的多目标规划问题:
现用a、b、c (台) 分别表示分配给三个保障单元的维修任务, 用T1、T2、 T3 分别表示三个保障单元完成一台车维修所花费的时间。其中T1～N (45, 25) , T2～N (65, 64) , T3～N (90, 100) 。现令保障单元1所负责的a台车维修耗时分别为T1 (1) 、T1 (2) ……T1 (a) 。则保障单元1总的维修时间为:
Time1=T1 (1) + T1 (2) +…+T1 (a) ,
类似可得保障单元2和3的总的维修时间分别为:
Time2=T2 (1) + T2 (2) +…+T2 (b) ,
Time3=T3 (1) + T3 (2) +…+T3 (c) , 且各保障单元花费的总时间为总维修时间与机动时间之和。
根据以上分析, 该目标规划问题可以表示为:
Mincost=400a+350b+250c。
2.3 EXTEND模型建立
由于三个保障单元的作业时间服从正态分布, 无法直接确定具体数值, 本文采取的求解方法是:借助于EXTEND模型中的Evolutionary optimizer模块, 在作业时间和维修费用的约束下对各个参数进行优化【3】, 从而找出最佳的保障方案。按照这个思路, 可建立的EXTEND仿真模型如图1。
下面对仿真模型进行相关说明:
(1) “任务产生模块”用来产生故障车辆, 通过对话框可以设置故障车辆的数量和相关属性。
(2) “任务指派”模拟待修车辆分别进入三个保障单元的维修作业点。
(3) “维修时间”中“Rand”模块设置单车维修时间服从正态分布, “Station”模块模拟维修车间, “Accumulate”模块统计各保障单元总的维修时间, 并通过“Plotter”模块显示。
(4) “维修车辆数目”中“Count”模块统计各保障单元所维修车辆的数目。
(5) “优化模块”中可以限定总的维修任务和时间以及费用要求, 并在此基础上对各保障单元的维修任务进行优化。
2.4 仿真结果分析
运行Evolutionary optimizer (优化模块) 50次, 各保障单元的维修时间由于服从正态分布而使总的维修时间不断变化, 但每次运行结果中各保障单元的任务分配以及总的维修成本都是一样的, 这说明方案已达最优。最终从200多种可能的情况中找出了51种满足条件要求的方案如下图2所示 (图2中只列出了26种) 。图2中的a、b、c分别表示三个保障单元的维修任务;time1、time2、time3分别表示三个保障单元总的维修时间;MinCost表示总的维修成本。
依照仿真的结果, 可制定如下的维修保障方案:保障单元 1、2、3的维修任务分别为:6台、7台和5台, 总的维修费用为6100元。各保障单元的维修作业时间服从设定的正态分布规律, 且全部保障任务在8小时内完成。
对仿真结果中三个保障单元的维修作业时间样本, 分别建立置信度为95%的置信区间来估算仿真本身存在但未知的维修作业时间的均值。先计算各保障单元时间样本的均值:
X1=288.45, X2=176.88, X3=266.65。按照置信区间估算公式:
3 结论
通过建模仿真对车辆装备机动保障进行模拟, 可以获得许多宝贵的数据, 使指挥和决策得到优化, 减少相应的风险。战时车辆装备保障的不可预见性大, 尤其是在高技术条件下, 局部战争对战时车辆装备保障的要求很高, 使得完成保障任务的难度增大。将计算机仿真技术运用于战时车辆装备保障, 将大大提高战时车辆装备保障决策的科学化和信息化的水平。
参考文献
[1]朱卫峰, 费奇.复杂物流系统仿真及其研究现状.系统仿真学报, 2003;15 (3) :353—356
[2]蔡强, 张勇.战场机动抢修单元效能评估系统建模与仿真研究.见:石洪波.军事运筹学2008年学术年会论文集, 北京:海潮出版社, 2008:375—379
[3] Fu Mi C.Simulation optimization.Proceedings of the 2001 WinterSimulation Conference.University of Maryland College Park, MD20742—1815, U.S.A.
[4]李鹏波, 张士峰.关于仿真可信性的度量.计算机仿真, 2000;17 (1) :19—52
装备机动性 篇2
机动卫勤分队是全军机动卫勤力量体系的重要组成部分,在平战时卫勤保障中担负着“当尖兵、打头阵、挑重担”的使命任务,地位重要,责任重大。新时期我军遂行多样化军事任务的转变和现代战争的破坏性逐渐升级,对卫勤保障的要求也越来越高,野战卫生装备作为完成平战时卫勤保障任务的物质基础[1],能否发挥真实效能,直接影响到卫勤保障的能力。近几年,随着军事斗争准备步伐的日益加快,新型卫生装备陆续列装部队,促进了基层部队卫生装备整体水平的提高。但是,新型卫生装备的配发列装在管理使用与维修保养方面也面临诸多问题,影响了机动卫勤分队的建设。本文就机动卫勤分队野战卫生装备基地化训练进行探讨,以提高机动卫勤分队的保障能力。
1 机动卫勤分队野战卫生装备基地化训练的必要性
机动卫勤分队野战卫生装备配备的种类全、数量多。常规手术装备包括麻醉机、可调节式多功能手术床、洗手装置、无影灯、自动吸引器、高频电刀、清洗机、吸引器、高压蒸汽消毒锅、大容量氧气瓶等;常规急救装备包括除颤仪、心电监护仪、便携式呼吸机、担架式心肺复苏机、智能输液泵等;常规辅助检查设备包括便携式X线机、野战洗片机、B超机、心电图机、血液分析仪、尿液分析仪、半自动生化仪、离心机、水浴箱等;另有五官科装备、口腔科装备、防疫防护装备、理疗装备以及手术车、X线车、急救车、消毒灭菌挂车等[2]。所有野战卫生装备随机配有使用说明书,但普遍缺少卫生勤务教材,对于装备的保养与维修没有相关的指导与说明,影响野战卫生装备充分发挥积极的作用。
2 机动卫勤分队野战卫生装备的管理与使用现状
2.1 训练、保养落不到实处
目前,各机动卫勤分队均不同程度地缺少综合训练场地,多数医院机动卫勤分队卫勤训练停留在单兵或单课目层次上,对于综合演练没有落到实处。即使组织综合演练,对于野战卫生装备的训练也只是停留在如何摆放层面,没有进一步的组织实施。每次执行任务或训练结束后,野战卫生装备直接下发科室或者直接入库保管,并不进行保养和维护,影响装备的使用寿命。
2.2 平战结合使用方法不当,易损坏
机动卫勤分队配发的野战卫生装备数量多、品种全,涉及检验、特诊、放射和急救、手术等各专业领域,能够满足机动卫勤分队执行战争和非战争军事行动任务时救治各种伤病员的需要。但是,机动卫勤分队在不执行任务或平时不训练时,大部分野战卫生装备通过平战结合方式使用。在平战结合使用过程中,存在野战卫生装备下发科室后,因管理方法不当,部分装备科室借用时是完好的,归还时是损坏的,并且损坏的原因不清楚,或者借用时零部件是齐全的,归还时零部件不全等,从而影响野战卫生装备的正常使用。
2.3 使用维修技术跟不上装备的更新换代速度
随着机动卫勤分队的建设不断增强,野战卫生装备的更新换代明显加快,一代、二代野战卫生装备相继配发部队,大量地方新型诊疗设备进入应急机动卫勤分队,高自动化、高通量的检查设备在大大提高诊断效率、加快卫勤分队卫生事业发展的同时,也增加了装备使用与维修的难度[3]。并且机动卫勤分队维修人才新老更替,年轻一代检修保障人员知识面较宽,但维修经验相对不足,处理复杂突发故障的应变能力相对缺乏,从而造成卫生装备的发展与人员使用和维修不相适应,影响卫生分队执行保障任务的需要。
3 机动卫勤分队野战卫生装备基地化训练探讨
3.1 健全管理制度
机动卫勤分队基地化训练须配备专职的卫生装备维修保养人员、教练人员和管理人员,建立科学的管理机制,强化职责分级管理、建章立制规范管理、配套设施科学管理,并建立卫生装备评价机制,提高机动卫勤分队人员的综合素质,使其在加强学习本专业的同时,学习相应仪器设备的维修,做到会用、会修。建立规章制度包括应急值班、应急准备、教育管理、装备物资、训练考核和人员轮训等。应急值班制度主要包括平时值班和任务时期值班。平时值班纳入医院战备值班统一组织,任务时期值班建立医院本级与医疗救援队两级值班;应急做准备包括预编抽组、应急响应、装备建设等内容;教育管理制度主要包括组织建设、政治教育、人员管理、安全保密、群众纪律等内容;装备物资管理制度主要包括配备标准、操作使用、维护保养、更新轮换等制度;训练考核主要包括训练计划、训练内容、训练保障、考核评估等内容;人员轮训包括同一机动卫勤分队的人员轮训和不同机动卫勤分队的轮训。
3.2 配齐装备器材
根据机动卫勤分队的建设目标,机动卫勤分队基地化训练野战卫生装备须配备齐全,以现行野战医疗所卫生装备为基础,以遂行各种救援保障任务的专用装备为补充,突出小型化、便携化、模块化、机动化和集成化的配备。重点配齐携行、运行和补充三类模块的装备。携行模块,根据急救单元的人员编组情况,以背囊的形式配备,包括基本急救背囊、复苏背囊、清创背囊、药品器材背囊、便携式担架等;运行模块分为分类后送、手术、重症监护、留治、医疗检诊、防疫等模块,以箱组、车辆和帐篷配备;补充模块主要针对可能承担任务的救援需求分为抗洪抢险、抗震救灾、扑火救灾、特殊武器伤和重大伤亡事故救援等模块。通过加强基地配套设施建设,发展战场卫勤保障数字化建设,全面推开野战网络医学服务,用信息化成果提升综合保障能力,推进机动卫勤分队卫勤力量信息化建设,以野战电子病历为综合集成平台,开发应用野战PACS、LIS、手术麻醉、动卫勤分队力量救治数字化。
3.3 深化训练演练
要按功能模块制定训练教案、训练教材、制定专业技术人员训练方案和计划以及模块、集成训练演练,加强专业精准训练,注重应急救援技术野战卫生装备使用与保养的培训。按照应急医疗救援队模块编组,组织以各模块专业救治特色为重点的针对性训练,重点强化抗震救灾、抗台防汛等自然灾害救援训练,突出反恐维稳、特殊武器伤救治野战卫生装备使用的训练。要在熟练开展模块化训练的基础上,进行功能模块和基础救援队的集成训练,确保有效执行各种规模的救援任务。根据担负的任务不同,须预想预设情况,组织综合演练,针对可能发生的突发事件进行专题研训与演练,提高机动卫勤分队快速反应和应急救援的能力。
4 结语
充分发挥卫勤训练基地的作用,分期分批组织卫勤轮训,坚持从实战出发,提高训练的针对性,严格按纲施训,提高训练的规范性,对必训的重点难点科目训全训实,确保“人员、时间、内容、效果”四落实,扎实开展战救技术和防疫防护等专业训练,切实把实战需要的技能练实练精。根据未来战场的环境特点,积极开展带实战背景的战术训练和综合演练,结合各类型机动卫勤分队的不同任务需求开展针对性训练,大力将新武器伤的诊断、分类、救治和防护等技术引进战备训练,注重勤务、技术与装备训练相结合,提高训练的有效性。同时要注重专业训练与合成训练相结合,加大人装结合力度训练,使医务人员熟练掌握各类装备性能和操作方法,实现人装有机结合。通过训练,解决整个机动卫勤分队只依靠医工人员对野战卫生装备进行保养、维修的问题,使全体人员能够对所用装备进行保养,对于小的故障能够自我排除,从而提高装备的使用寿命。
摘要：针对目前机动卫勤分队普遍存在缺少训练场地,野战卫生装备的训练、保养与维修落不到实处的问题,提出了建立基地化训练的设想,加强了对机动卫勤分队人员野战卫生装备的使用、保养与维修的培训力度,提高了机动卫勤分队人员的使用与维修能力,满足了机动卫勤分队遂行各种保障任务的需要。
关键词：机动卫勤分队,基地化,野战卫生装备,训练,探讨
参考文献
[1]李婷,张鹭鹭,刘源,等.论卫勤保障物资筹措优化[J].海军医学杂志,2007,28(4):380-382.
[2]吕碧涛,汤立功,蒋波,等.东南地区某基层部队卫生装备现状及对策[J].医疗卫生装备,2012,33(8):87.
装备机动性 篇3
随着现代科学技术的飞速发展,各种结构的复杂性日益增大,新兴结构不断出现,工程设计开始从传统的经验、类比和静态设计向动态设计转变。在此过程中,结构的动力特性起着至关重要的作用。以结构动力特性为研究对象的结构动力学已经在航空、航天、造船、机械、建筑、交通运输和兵器等工程领域得到了广泛应用[1,2,3,4]。
军队机动卫勤力量是我军卫勤力量体系的重要组成部分,其基本任务是担负战争以及非战争军事行动的机动卫勤保障和应急医学支援保障,有效维护军队人员及地方公众的健康和生命安全[5]。作为机动卫勤力量的载体,机动卫生装备的性能优劣直接影响到机动卫勤力量能否有效完成保障任务。因此,运用结构动力学理论分析机动卫生装备的结构动力学特性具有重要的现实意义。
2 结构动力学的研究内容、方法与现状
结构动力学是研究结构在动载荷作用下产生响应的规律的科学,或者说是研究结构、动载荷和响应三者关系的科学[6]。
现代结构动力学主要研究以下4个大问题:
(1)已知结构和载荷求响应,称为响应分析;
(2)已知载荷和响应求结构参数,称为参数识别或系统辨识;
(3)已知结构和响应求载荷,称为载荷识别;
(4)结构动力优化设计。
上述4个问题中,一般称第1个问题为正问题,其余3个问题为逆问题。
2.1 响应分析
响应分析是在已知结构参数和外部载荷的情况下求结构响应的问题,包括位移、速度、加速度和力的响应。这是工程中最常见的问题,也是研究得最早、最多的一类问题。响应分析的主要任务是计算系统或结构工作时的动力响应、检验系统或结构的响应是否满足预定的安全等要求,为系统或结构设计提供依据。
目前,结构动态响应的分析方法有多种,一般可分为模态叠加法和直接积分法。模态叠加法是一种利用模态分析得到的结构固有频率和模态振型来计算结构动力响应的方法,这种方法需要提取可能对动力学响应有贡献的所有模态,否则会由于缺失模态而造成较大误差。因此,结构动力响应问题通常采用时间步长直接积分方法求解,如中心差分法、威尔逊法、纽马克法等,其基本原理是:在时间域内对响应的时间历程进行离散,对系统运动微分方程进行逐步积分求解。直接积分法的计算精度较高,对质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和载荷没有特别的要求,可以处理多种线性和非线性系统,但计算时间较长[7]。近年来有不少学者提出了很多新的或改进型方法,以提高计算效率和计算精度,如大连理工大学的钟万勰院士提出的精细时程积分法,很好地解决了大型复杂结构计算时间长、运算量大的问题[8]。
2.2 系统辨识(参数识别)
结构的系统辨识通常是指根据观测到的输入输出数据建立结构的数学模型,并要求数学模型按照一定的准则,尽可能精确地反映结构的动力学特性。用于描述结构动力学特性的数学模型可用一定数量的参数来描述,这些参数包括结构的固有频率、模态振型、模态阻尼比及其他模态参数(模态刚度、模态质量等)或物理参数(质量、刚度、阻尼)等。因此,结构的系统辨识又叫做参数识别。结构动力学特性参数识别过程如图1所示。
该过程表示:对于一个含有未知参数的结构系统,假定一个数学模型,对系统和模型施以同样的输入,比较系统和模型的输出误差,最后按照一定的最优控制准则和算法来调整模型,使数学模型与结构系统的误差最小。因此,结构参数识别的过程也是系统建模的过程。
结构动力参数识别主要采用模态参数识别方法来完成,模态参数识别又分为频域和时域2种。频域参数识别方法包括最小二乘圆拟合法、分区模态综合法等,其优点是利用频域平均技术,最大限度地抑制噪声的影响,使模态定阶问题容易得到解决。到20世纪80年代,频域参数识别方法的基本原理、技术实现和产品设备已发展得相当成熟,识别效果也相当满意。然而,该方法也存在功率泄露、频率混叠等不足,所以从20世纪70年代起,开始有人研究基于时域信号的参数识别方法,即工作模态参数识别法,其中典型的有ITD(Ibrahim time domain)法、自回归滑动平均(autoregressive moving-average,ARMA)时序法等[9]。工作模态参数识别技术将传统的主要针对静止结构的参数识别扩展到对处于现场运行状态的结构进行参数识别,不仅可以实现对无法测得载荷的工程结构进行在线模态分析,而且利用工作状态下的响应数据识别的模态参数能更加准确地反映结构的实际动态特性。近年来,这种识别方法成为模态参数识别领域中的一个研究热点,广泛出现于国际国内论文中,在桥梁、建筑、机械等领域的实际应用也取得了实质性的进展[10,11,12]。
2.3 载荷识别
载荷识别又称为环境模拟,与结构参数识别一样,是结构动力学中的逆问题。结构所承受的动载荷一般可以通过理论计算或实测得到,然而有时却难以实现,比如爆炸冲击力、空气对螺旋桨的作用力、风载荷、波浪载荷等。这时,可以通过某些容易测量得到的相关量(如应变或位移等)来反推载荷,即动态载荷识别。载荷识别的过程为:首先测得结构的频响函数和模态参数,然后测量结构在实际载荷作用下的响应,或由响应准则预先给出响应要求,以此来识别对应响应的载荷。
传统上,动态载荷的识别分为频域法和时域法两大类。频域法提出较早,主要利用激励和响应间频响函数的求逆实现,识别原理简单、直观,便于应用,是目前比较成熟的识别方法。时域法提出较晚,主要是利用阶跃力假设的积分方法来处理载荷识别问题,由于识别过程的各种因素(如结构系统的非线性、响应测量精度等)都对识别效果有很大影响,因此这种方法较为复杂。但由于时域法识别精度高,所以发展较快。随着工程信号处理和模式识别方法的不断发展,其中的许多方法,如小波分析、分形、神经网络等也逐渐成为动态载荷识别的方法并成为前沿课题,这些方法运用现代信号分析技术来处理得到的测量信号,克服了传统的载荷识别受限于测试信号必须是平稳信号、系统必须是线性系统或者非线性程度较小的不足,在未来的非线性系统动态载荷识别中必将取得更多的应用成果。
2.4 结构动力优化设计
结构动力优化设计是对主要承受动载荷而动力学特性又至关重要的结构,以动力学特性指标如固有频率、响应等作为设计准则,选择需要修改的参数如结构参数、物理参数等作为设计变量,通过进行灵敏度分析对结构进行优化设计的方法。它既可在常规静力设计的结构上运用优化技术,对结构的零部件进行结构动力修改;也可从满足结构动态性能指标出发,综合考虑其他因素来设计结构的形状,乃至结构的拓扑(布局设计、开孔、增删零件等)。
结构动力优化设计可以分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个层次[13]。早期的结构优化设计主要研究的是杆件截面积、梁结构截面尺寸、膜板壳厚度、复合材料铺层厚度等结构的尺寸优化,在这类尺寸优化问题中,设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系,其目标通常是降低结构重量,而且其研究和应用已经比较成熟。近年来,形状优化成为研究热门,主要研究如何确定连续体结构的边界形状或者内部几何形状(如不同材料或厚度的分布区域),以改善结构特性。在连续体结构优化中,更多的是以降低应力集中、改善应力分布、提高疲劳强度和延长结构寿命作为目标。除了研究尺寸优化、形状优化外,拓扑优化研究也已成为结构动力优化设计中的前沿课题,特别是拓扑优化研究中提出的均匀化方法等,可将材料选择、布局优化和形状优化集于一体,为并发设计(concurrent design)中材料、工艺和结构的选择提供科学的手段。当然,传统的以结构静、动特性为目标或约束的优化设计方法仍是当今工程界应用的主要方法,特别是基于试验模态分析的结构动力优化设计正在工程设计领域发挥着重要作用。
3 模态分析的研究内容与现状
模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析获得,这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。模态分析是目前研究结构动力学特性的基本方法,已经成为解决现代复杂结构动力特性分析的相辅相成的重要手段。
3.1 模态分析的研究内容
围绕模态分析所展开的研究内容十分丰富。通过模态分析,可以得到结构的模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数,这些参数组合在一起就构成了描述某一特定结构动力特性的数学模型,这就是结构动力学研究的逆问题之一:结构的系统辨识。根据模态分析的结果,对被测结构进行动态性能评估,如各阶模态频率远离工作频率等,这是模态分析的直接应用,已成为工程界的基本方法。对模态分析结果进行分析,明确结构易受影响的频率范围,以及各阶主要模态的特性,就能预知此频率段内结构在内、外部动载荷作用下的实际动力响应,这是结构动力学的正问题:动力响应分析。如2.1节所述的模态叠加法,就是运用模态分析所得振型矩阵对动力学方程组解耦来求解动力响应的方法。一旦通过模态分析获得模态参数并给予验证,就可以把这些参数用于(重)设计过程,优化结构动力特性,或者研究把该结构连接到其他结构上时所产生的影响,这就是目前结构动力学研究开展得最广泛的内容之一:结构动力优化设计。此外,利用模态分析得到的模态参数进行结构故障判别日益成为一种有效而实用的故障诊断和安全检查方法,如土木工程中依据模态频率的变化判断水泥桩中是否有裂纹和空隙等。
目前,模态分析已在航空、航天、造船、机械、建筑、交通运输和兵器等工程领域得到了广泛应用[14,15,16],在以后的研究中,其应用领域还将得到进一步的扩展。
3.2 模态分析的现状
根据模态分析手段和方法的不同,模态分析分为计算模态分析和试验模态分析。这2种方法各有利弊,目前的发展趋势是将2种分析方法有机地结合起来,取长补短,相得益彰。通过计算模态分析进行系统动态特性预估,初步了解系统的频率分布范围、模态密集程度等,为试验模态分析中激励方式、测点布置、采样频率等因素的确定提供依据;利用试验模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力模型,利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性和响应,进行结构的动力优化设计。
计算模态分析是一种理论建模过程,主要是以线性振动理论为基础,运用有限元法对振动结构进行离散,建立系统特征值问题的数学模型,并加载真实情况下的载荷和边界条件,用各种近似方法(如子空间迭代法等)求解系统特征值和特征向量的过程。这种方法是随着计算机技术的不断发展和有限元方法的出现而发展起来的。计算模态分析建立的模型规模从最初的几十、几百个单元发展到如今几万甚至几十万个混合单元;分析对象由简单的结构到如今的车辆、船舶、建筑等大型复杂结构。分析所用的软件也日趋多样化,目前比较著名的有ANSYS、Nastran和ADAMS等有限元分析软件。
计算模态分析的优点是在产品结构设计阶段,根据有限元分析结果便可预知产品的动态性能,在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题。如果结构有不合理之处,还可以通过特征或响应灵敏度分析来修改产品的结构,直至满足要求。其不足之处是在模拟计算的过程中忽略了一些参数或者这些参数很难取得准确的值,如结构的阻尼、结合面特征等,并且利用有限元法计算得到的结果只能是一个近似值。正因如此,目前大多数模拟的结构在试制阶段常会进行全尺寸样机的动态试验,以验证计算的可靠程度并补充理论计算的不足。
试验模态分析是计算模态分析的逆过程,是模态分析中最常用的方法。传统的试验模态分析方法是建立在系统输入/输出数据均已知的基础上,利用激励和响应的完整信息进行参数识别。它将结构在静止状态下进行人为激振,通过测量激振与响应并进行快速傅里叶变换分析,得到任意两点之间的传递函数。用模态分析理论通过对试验传递函数的曲线拟合,识别出结构物的模态参数,从而建立起结构物的模态模型。然后,根据模态叠加原理,在已知各种载荷时间历程的情况下,预估结构物的实际振动响应历程或响应谱。
试验模态分析最早出现于20世纪30年代,经过70多年的发展,其理论基础已经相当成熟,并且在机械、汽车、飞机、卫星、桥梁、建筑等各种结构中获得成功应用,不仅在振动排障、动态设计中大显身手,而且在基于振动的机械、结构状态检测与破损诊断中具有较好的前景。尽管如此,试验模态分析方法在具体应用时仍存在局限性,因为对于某些实际工程结构,要获得激励的完整信息是难以实现的,如海洋平台、建筑物以及桥梁等在风、浪以及大地脉动作用下引起的振动;导弹以及航天器在飞行运输过程中所产生的振动等,这些结构在实际工作时所承受的载荷往往不可测量或很难测量,因而无法获得结构系统的激励信息。在这种情况下,模态分析只能得到诸如共振频率、最大峰值、总均方根值等特征量,而不能进一步用于对产品结构的动力特性分析,这就难以对产品的整体变形、响应特性进行完整了解[17]。针对传统的试验模态分析方法的局限性,仅基于响应数据的工作模态分析技术逐渐发展起来。
工作模态分析常被称为环境激励下的模态分析,是近年来模态分析领域发展活跃、新理论新技术的应用层出不穷的一个研究方向,被视为对传统试验模态分析方法的创新和发展。工作模态分析理论和思想早在20世纪60年代就已开始被提出。1965年,Clarkson和Mercer提出使用互相关函数估计承受白噪声激励下结构的频响特性,从而提出了当激励未知时使用相关函数替代脉冲响应函数的思想框架[18]。20世纪90年代以来,美国Sandia国家实验室结合时域模态辨识方法,提出了NEXT技术,利用结构在环境激励下响应的相关函数进行工作模态识别[19]。后来出现的时频分析为工作模态参数识别提供了一种新的途径,它克服了单纯的时域与频域分析法的不足,适用于平稳和非平稳激励信号。在国内,南京航空航天大学、上海交通大学等也致力于研究工作模态参数识别方法[20,21,22]。工作模态分析作为目前模态分析领域中一个研究热点,尽管存在某些不足,但由于在工程应用上的巨大前景和优势,将来一定会有更加广泛的发展和应用。
4 结构动力学研究在机动卫生装备中的应用
机动卫生装备是以车辆、方舱、船舶、飞机等为载体,完成特定医疗功能和卫勤保障任务的机动医疗平台,是由相互作用、相互依赖的人、机、环境3大要素组成的复杂系统[23]。机动卫生装备行驶过程中,由于路面不平度等作用引起程度不同的随机振动和噪声,对舱室内人员的乘坐(卧)舒适性、工作效率以及仪器设备的操作使用带来极大的影响,严重时会导致仪器的损害,甚至人员的伤亡。机动卫生装备动态特性的好坏对能否完成预定功能具有至关重要的作用,而以结构动力学特性为研究对象的结构动力学分析方法在机动卫生装备的结构动力响应分析、参数识别、载荷识别优化设计以及故障诊断、噪声控制等方面能够发挥积极的作用。因此,结构动力学研究在机动卫生装备中有着重要的现实意义和广泛的应用前景。
4.1 机动卫生装备结构动力响应分析
机动卫生装备的动力响应是指装备在行驶、工作或者受到动态激励时,各主要零部件的动力响应,如位移、速度、加速度、应力、应变等,典型的为担架台、驾驶员座椅的振动加速度;车厢壁板的相对位移;装备整体结构的变形等。响应分析的主要任务就是在已知结构参数和外部载荷的情况下测量并计算机动卫生装备的动力响应。
通过响应分析获得的动力响应可以用来检验装备的结构动力响应是否满足响应准则等要求,同时还可以作为目标函数或约束函数为各零部件的减振、隔振以及整体结构的动力学优化设计提供参考依据。
4.2 机动卫生装备结构动力参数识别
机动卫生装备的结构动力参数识别主要是通过模态分析技术来识别装备整体结构的固有频率、模态振型、模态质量、模态阻尼比等模态参数以及质量、刚度、阻尼等结构物理参数。模态参数识别是最为关键和根本的,它不仅在机动卫生装备结构动态特性设计中起着至关重要的作用,也是识别结构系统很多其他参数的先决条件。
以某型急救车为例,急救车是在二类汽车底盘的基础上改装而成的。在设计急救车车厢时,必须要考虑二类底盘的结构动力特性;对急救车整体进行结构动力优化设计时,也必须要通过模态分析获知底盘的动力特性;另外,对车厢内担架支架减振系统进行设计时,也要在充分掌握车辆振动特性的基础上进行。
4.3 机动卫生装备结构动态载荷识别
机动卫生装备所受到的动态激励主要表现为各种来自外部的动态载荷,如飞机在飞行过程中所受的推力载荷和机翼所受到的气动载荷;车辆行驶时受到的各种路面的激励力等。这些动态载荷一般可通过理论计算或实测得到,但有时却难以获得。这时可由试验模态分析所得的结构频响函数和模态参数及测量所得的结构动力响应来估算机动卫生装备所受到的动态载荷。
在进行机动卫生装备的结构动力响应计算、动态参数设计、故障分析及可靠性预测时,往往需要精确掌握作用在结构上的动态载荷。以车辆为例,车辆的路面载荷对乘员的舒适性和车上仪表设备的疲劳寿命有很大影响,获取车辆在不同路面上行驶时所受到的动态载荷,就能合理设计车辆悬挂等部分的结构参数,精确分析车辆的动态响应。
4.4 机动卫生装备结构动力优化设计
机动卫生装备在行驶过程中,由于存在着发动机、传动装置及道路因素等低频振源,振动是不可避免的。为了保障装备的使用性能,延长装备的使用寿命和改善乘坐人员的舒适性,需要有效地减少结构的振动。机动卫生装备的结构动力优化设计是以装备结构的固有频率和动力响应作为目标函数或约束条件,通过优化设计降低振动水平,保证结构性能,改善工作环境。
使用结构动力学分析方法在装备的设计阶段就可以改善结构的动力学特性。如利用计算模态分析方法建立结构模型,得到结构固有频率和振型,检验这些模态参数是否符合模态参数模型准则,如固有频率是否远离激励频率,如不满足,可通过特征灵敏度分析来修改结构;同时还能计算模型的动态响应,包括位移,加速度等,检验是否满足响应准则并进行结构修改等。对于已经使用中的装备,也可以通过结构动力学进行相同分析来对装备进行局部修改,以改进装备的局部特性,如对车厢、担架等进行减振。
4.5 机动卫生装备故障诊断
因振动而产生的弯曲、扭转等变形常常会造成机动卫生装备某些部件疲劳损坏甚至断裂,比如车辆的牛腿与纵梁连接处因异常振动而造成早期破坏等。运用结构动力学的基本方法———模态分析法对装备进行故障诊断,是研究解决上述问题的一种有效手段。
当结构发生故障,如出现裂纹、松动、零部件损坏等情况时,结构的物理参数发生变化,其特征参数(固有频率、模态振型、模态阻尼、频响函数、相干函数等)也随之变化。根据这些参数的变化情况,就可以判断出故障的类型、原因、位置,然后采取合适的方法来排除故障。
4.6 机动卫生装备噪声控制
噪声是一种紊乱、随机的声震荡,是一种不需要的声音。机动卫生装备在行驶和使用过程中,发动机、发电机、空调机等发声设备产生的噪声将直接干扰舱室内人员的听觉,影响正常的工作效率,因此要尽量减少噪声的产生。使用结构动力学分析中的模态分析可以寻找噪声产生的源头,确定噪声产生的模态并以此提出合适的降噪措施。
基于模态分析的噪声控制方法在汽车噪声控制方面应用的例子比较多,同样,这种方法也可以应用于机动卫生装备,以确定有效噪声源和制定降噪方案。
5 结论
结构动力学作为研究结构动力特性的一门学科,在工程领域得到了广泛的应用,但在机动卫生装备中的应用还比较少见。运用结构动力学分析方法可以明显改善机动卫生装备的动力学特性,减少结构的振动、抑制噪声的产生,因此,在以后的研究过程中,特别是在第三代机动卫生装备的研制中,结构动力学分析将会发挥更大、更重要的作用,其应用范围也会得到进一步的拓展。
摘要：阐述了结构动力学研究的内容、方法与现状,重点介绍了作为结构动力学分析重要手段的模态分析的研究内容与现状,指出了工作模态分析技术在工程应用中的巨大前景和优势,对结构动力学研究在机动卫生装备中的应用前景进行了展望。
装备机动性 篇4
在机动卫生装备人机环境系统工程中,舱室空气质量与人体热舒适性的关系是指舱室中的“人”(医护人员和伤病员)对所处“环境”(舱室空气质量中温度、相对湿度、空气流速等热环境因素)感觉舒适与否的程度。当舱室空气质量中热环境影响因素的作用量在舒适程度范围内时,人体处于舒适状态,即保持正常的生理和心理状态;一旦作用量超出舒适程度范围,虽然人体经适应性调整能继续保持基本正常的生理和心理状态,但主观上会产生较明显的不舒适感[1]。
舱室空气质量作为衡量舱室微环境的重要指标之一,如何正确地评价其与人体热舒适性的关系,已成为机动卫生装备研究必须考虑的内容。有必要依据机动卫生装备舱室空气质量的特点,进行机动卫生装备舱室空气质量与人体热舒适性关系的评价研究。
2 舱室空气质量对人体热舒适性影响因素分析
2.1 温度
温度是影响人体热舒适性的主要因素之一[2]。高温会使人体大量出汗,引起头痛、胸闷、烦躁、食欲减退等;人体对低温的耐受可塑性相对较强,但长期处于低温下,会使人体感觉疲倦、反应迟钝、注意力分散等。
GJB 6805—2009《野战卫生舱室微环境质量要求和评价方法》规定了适宜级温度环境中,当外界环境温度为-41℃时,启动采暖设备后,舱室内的平衡温度应不低于20℃;当外界环境温度为46℃时,启动空调设备后,舱室内的平衡温度应不高于28℃[3]。GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》规定了室内温度夏季应在在22~28℃,冬季应在16~24℃[4]。GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》规定了舒适性空调室内温度夏季采用24~28℃,冬季采用18~22℃,这样的温度范围是较合适的,室内温度过高或过低都会产生不适感[5]。
2.2 相对湿度
相对湿度直接或间接影响人体的热舒适性[2]。在一定温度条件下,相对湿度过高,人体皮肤周围的水蒸汽分压力比较大,汗液蒸发量和皮肤湿扩散量则减少,从而引起人体的不舒适感。同时,高湿度还为舱室内空气中的细菌、霉菌及其他微生物创造了良好的生长繁殖条件,加剧了舱室内微生物的污染,恶化了舱室空气质量[6,7]。相对湿度过低,人体皮肤因缺少水分而变得粗糙甚至开裂,鼻子、咽喉、眼睛会明显产生不舒适感觉。当相对湿度低于25%时,人体免疫系统对疾病的抵抗能力也大大降低[6,8]。但在高温条件下,适当降低空气相对湿度会使人们感觉更加凉爽、干燥和舒适。特别是当舱室内存在一定浓度的污染物时,降低相对湿度还有助于减少人对气味的敏感程度[9]。
GJB 6805—2009《野战卫生舱室微环境质量要求和评价方法》规定了舱室适宜级环境中的相对湿度应不大于60%[3]。ASHRAE标准62—2001推荐室内最佳相对湿度范围为30%~60%[9]。GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》规定了室内相对湿度夏季应在40%~80%,冬季应在30%~60%[4]。GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》规定了舒适性空调室内相对湿度夏季采用40%~65%,冬季采用30%~60%[5]。
2.3 空气流速
空气流速会影响人体的对流散热和水分蒸发散热,因此是影响人体热舒适性的重要因素。在高温环境中,空气流速过小,不利于维持人体的热平衡,人体因感觉沉闷而不舒适[6]。空气流速增大,能为人体提供新鲜的空气,在一定度程度上加快人体的对流和蒸发散热,使人体感觉舒适。
空气流速在0.6 m/s以下时,每增加0.1 m/s,相当于环境温度降低0.3℃;空气流速在0.6~1.0 m/s时,每增加0.1 m/s,相当于环境温度降低0.15℃。此外,1.0 m/s以上的空气流速会引起噪声,所以一般将空气流速控制在0.7 m/s以下[10]。GJB 6805—2009《野战卫生舱室微环境质量要求和评价方法》规定了舱室适宜级环境中的空气流速应不大于0.5 m/s[3]。GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》和GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》均规定了室内空气流速夏季应不大于0.3 m/s,冬季应不大于0.2 m/s[4,5]。
3 人体热舒适性影响因素的等级标准
依据本文对人体热舒适性各影响因素的分析,确定舒适性各影响因素对人体单独作用时的等级标准值,如表1所示。
注:“高温”与“低温”,“高气湿”与“低气湿”,“高空气流速”与“低空气流速”,在评价中依据实测温度、相对湿度和空气流速所属范围,只考虑一项
4 人体热舒适性评价方法
机动卫生装备舱室空气质量的人体热舒适性由上述各因素指标共同影响。例如:在21~22℃人体最舒适的温度下,湿度越高,人体汗液蒸发缓慢,热舒适性会降低;在相对湿度70%~80%的高气湿区域内,一定的空气流速能增强人体与环境的热交换,使人体感觉舒适。因此,不能机械照搬室内空气质量的单一因素标准来评价舱室内人体的热舒适性程度。
舱室空气质量的各因素指标对人体舒适性的影响是相互关联、共同作用的,因此,在评价舱室空气质量对人体热舒适性影响时,要考虑各因素的综合作用。总结现有评价方法,可采用灰色关联度方法对常规条件下舱室空气质量与人体热舒适性关系进行评价。研究方法步骤如下[11]:
(1)将现有标准规定的热舒适性影响因素等级标准值作为参考序列:
式中,最舒适序列:A1=(a11,a21,…,an1);舒适序列:A2=(a12,a22,…,an2);较舒适序列:A3=(a13,a23,…,an3);不舒适序列:A4=(a14,a24,…,an4);ai1,ai2,ai3,ai4:第i个因素的舒适性等级标准值,i=1,2,…,n。
(2)选取舱室空气质量各因素的实测数值组成实测参数序列B:
式中,bi:第i个因素的实测数值,i=1,2,…,n。
(3)计算参考序列的初像值,将因素指标无量纲化,组成矩阵R=rji:
(4)计算实测舱室空气质量B与参考序列A之间的灰色关联度Y=(yij)n×4:
式中,ε∈(0,1)为分辨系数,其意义是削弱太大的最大绝对差值引起的失真,提高关联系数差异之间的显著性,一般取0.5。
(5)确定舱室空气质量中各因素对人体热舒适性影响评价的权重:
在查阅的文献中,有的采用专家调查法赋予各因素不同的权重,有的忽略各因素对人体热舒适性影响程度的不同,取同等权重。本研究考虑在舱室环境中,各因素相互关联、共同影响人体热舒适性,在评价过程中具有同等的重要程度。因此,取权重值相等,即:
(6)计算实测舱室空气质量B与参考序列A的加权关联度向量S:
(7)分析评价结果。si表示实测舱室空气质量B与参考序列Ai的关联程度,si值越大表示其舒适性与Ai越接近。评价结果等级判断见表2。
5 某急救车舱室内人体热舒适性评价研究
文献[10]以某急救车为对象,通过试验测量了舱室内不同时刻站姿医护人员、坐姿伤病员和卧姿伤病员所在位置的温度、相对湿度和空气流速。本研究依据其试验数据,实例评价舱室空气质量对人体热舒适性的影响。
试验前,急救车舱室外和舱室内温度、相对湿度和空气流速如表3所示。试验时,关闭舱室门窗,放下车窗窗帘,开启空调制冷二挡,分别在开启后30 min和60 min时测量各测点位置的温度、相对湿度和空气流速,测量数据如表4所示[10]。
5.1 试验前舱室外和舱室内人体热舒适性评价
为了更好地对比舱室内空气质量对人体热舒适性影响的变化情况,检验评价方法的准确性和适用性,首先对试验前舱室外和舱室内空气质量对人体热舒适性的影响程度进行评价。参照表1确定的热舒适性影响因素的等级标准值,运用灰色关联度方法进行评价,评价过程及结果如表5所示。
结果分析:
试验前,急救车处于驻车状态,舱室门窗开启。舱室外,热舒适性3种影响因素所测数值分别为38.8℃、53.2%、0.81 m/s,空气质量处于高温度、高湿度、高空气流速状态;舱室内,3种影响因素所测数值分别为38.8℃、53.2%、0.1 m/s,空气质量处于高温度、高湿度、低空气流速状态。
舒适性评价结果表明,舱室内、外空气质量对人体的热舒适性影响等级均为“不舒适”等级。此时舱室内、外温度高且湿度较大,人体大量出汗且汗液无法散发,人体出现呼吸急促、胸闷等不舒适感觉。
对比舱室内、外“不舒适”等级的最大关联度数值,舱室内数值为0.89,大于舱室外数值0.77,即舱室内不舒适程度大于舱室外。这是由于舱壁的阻挡,舱室内空气流速小于舱室外所致。在高温高湿环境下,舱室外的空气流速在一定程度上加快了人体汗液的对流和蒸发散热,使人体不舒适感觉略微减轻。但此时的空气流速已使人体有吹风感。因此,虽然舱室外不舒适程度略小于舱室内,但人体热舒适性仍处于“不舒适”等级。
5.2 30 min和60 min时舱室内人体热舒适性评价
依据表4中,30 min和60 min时各测点的测量参数,同样参照热舒适性影响因素的等级标准值,运用灰色关联度方法,分别对舱室内中心位置的站姿医护人员和舱室内左右两侧坐、卧姿伤病员的热舒适性进行评价。评价结果如表6所示。
结果分析:
卧姿伤病员:30 min时,两侧卧姿伤病员所在区域的温度和相对湿度数值明显下降,空气流速数值略微上升,左侧处于“最舒适”等级,右侧处于“舒适”等级。此时两侧温度和相对湿度基本相同,但由于急救车舱室内部仪器设备的布局,右侧卧姿伤病员所在区域的空气流速大于左侧。在温度和相对湿度适宜的条件下,空气流速加快了右侧卧姿伤病员的散热,从而降低了其舒适感觉;60 min时,两侧卧姿伤病员所在区域的空气流速数值不变,温度和相对湿度数值进一步下降,左侧处于“最舒适”等级,右侧处于“舒适”等级。左侧“最舒适”等级的最大关联度值0.924(60 min)>0.861(30 min),右侧“舒适”等级的最大关联度值0.927(60 min)>0.894(30 min)。因此,两侧卧姿伤病员60 min时的热舒适性感觉均优于30 min时的热舒适性感觉。
坐姿伤病员:30 min时,两侧坐姿伤病员所在区域的温度和相对湿度数值明显下降,空气流速数值略微上升,均处于“舒适”等级;60 min时,两侧坐姿伤病员所在区域的空气流速数值不变,温度和相对湿度数值进一步下降,两侧仍处于“舒适”等级。此时,左侧“舒适”等级的最大关联度值0.917(60min)>0.857(30 min),右侧“舒适”等级的最大关联度值0.945(60 min)>0.912(30 min)。因此,两侧坐姿伤病员60 min时的热舒适性感觉均优于30 min时的热舒适性感觉。
站姿医护人员:30 min时,站姿医护人员所在区域的温度和相对湿度数值明显下降,空气流速数值略微上升,处于“舒适”等级;60 min时,站姿医护人员所在区域的空气流速数值不变,温度和相对湿度数值进一步下降,仍处于“舒适”等级。“舒适”等级的最大关联度值0.932(60 min)>0.902(30 min),站姿医护人员60 min时的热舒适性感觉优于30 min时的热舒适性感觉。
6 结论
(1)试验前急救车舱室外空气质量处于高温高湿条件,由于舱壁的阻挡,舱室内空气流速小于舱室外,舱室内人体热舒适性小于舱室外人体热舒适性。
(2)开启制冷空调30 min时,舱室内卧姿伤病员、坐姿伤病员、站姿医护人员的热舒适性评价等级分别达到“最舒适”和“舒适”等级;60 min时舱室内人员的热舒适性感觉进一步提高。
(3)30 min和60 min时,卧姿伤病员的热舒适性略优于坐姿伤病员和站姿医护人员,且左侧卧姿伤病员的热舒适性优于右侧。
总之,综合考虑舱室空气质量的各因素指标的关联作用,采用灰色关联度的方法评价常规条件下舱室空气质量对人体热舒适性的影响,依据最大关联度来判断人体热舒适性等级,既能确定舱室内不同区域人员的热舒适性等级,又能对同等级人员的热舒适性感觉进行比较。评价结果与试验时人员实际热舒适性感觉相一致,且更为准确地对人体热舒适性感觉进行了量化,结果直观。
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