收费亭安全防护系统缓冲座椅设计与研究（可编辑）

收费亭安全防护系统缓冲座椅设计与研究 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 收费亭安全防护系统缓冲座椅设计与研究 硕士研究生 ：冯智斌 指导教师 ：张 旭 教授 学科、专业 ：机械制造及其自动化 论文主审人 ：黄国权 教授 哈尔滨工程大学 2013 年3 月 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 收费亭安全防护系统缓冲座椅设计与研究 硕士研究生 ：冯智斌 指 导 教 师 ：张 旭 教授 学 位 级 别 ：工学硕士 学科、专业 ：机械制造及其自动化 所 在 单 位 ：机电工程学院 论文提交日期 ：2013 年1 月 9 日 论文答辩日期 ：2013 年3 月15 日 学位授予单位 ：哈尔滨工程大学 Classified Index ： U.D.C ： A Dissertation for the Degree of M. Eng Design and Study on Buffer Seat System of Toll Booth Candidate： Feng Zhibin Supervisor： Prof.Zhang Xu Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Specialty： Mechanical Manufacture and Automation Date of Submission ： Jan. 9, 2013 Date of Oral Examination ： March. 15,2013 University ： Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日期： 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知 识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本 人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工 程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文（在授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工程大学 送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字）： 导师（签字）： 日期： 年 月 日 年 月 日 收费亭安全防护系统缓冲座椅的设计与研究 摘 要 随着高速公路建设的快速发展，高速公路收费站的数量不断增多，对于高速公路收 费亭内部工作人员的安全保护，也越来越受到重视。缓冲座椅系统对收费亭防护系统内 部乘员的安全防护，起着至关重要的作用。 本课题的目标是研究一种具有基于六自由度平台减振原理设计的悬架结构的安全 缓冲座椅。当收费亭发生碰撞事故时，振动能量通过收费亭地板传递至缓冲座椅，缓冲 座椅悬架系统中的弹性元件吸收存储能量，延缓碰撞能量向椅面的传递，同时悬架系统 中的阻尼元件消耗能量，降低椅面的运动剧烈程度，从而起到减振缓冲作用，实现对乘 员的保护。 首先，建立乘员座椅悬架系统的一般力学模型与数学模型，通过对悬架系统惯性矩 阵、刚度矩阵与阻尼矩阵的推导与计算，得到乘员座椅悬架系统的运动微分方程。 然后根据缓冲座椅的性能要求与技术指标，在结构合理性，固有频率耦合度以及六 方向减振效果仿真等方面，对选定的三种六自由度平台进行综合分析和对比，选定合适 的缓冲座椅悬架结构类型与布置形式。 根据人体的敏感频率范围和收费亭整体的固有频率，对优选的悬架进行参数优化设 计，包括几何尺寸参数、弹性元件的刚度系数和阻尼元件的阻尼系数，使悬架的六个固 有频率既避开收费亭整体的固有频率，又远离人体各方向的敏感频率范围。 在对缓冲座椅悬架系统理论研究的基础上，设计缓冲座椅总体结构。重点对减振装 置、转动链接装置和水平辅助平台装置进行了设计与选择。利用有限元方法首先对座椅 进行静力学分析，以检验设计结构的轻度要求；并计算出对人体产生最大影响的危险冲 击频率，为避免共振频率与该频率接近，对座椅进行模态分析；最后为研究安全座椅在 冲击载荷下的响应并验证缓冲座椅设计的合理性，通过假人模型，分析座椅对乘员的保 护作用。 关键词：收费亭；缓冲座椅；结构设计；有限元分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 收费亭安全防护系统缓冲座椅的设计与研究 Abstract With the rapid development of highway construction and the growing number of highway toll station, more and more attention has been paid to the highway toll booths internal security for the staff.For Staffs passive safety protection of the the toll booths security system, internal buffer seat system plays a vital role. The goal of this project is to study a security buffer seat based on damping principle of a six degree of freedom platform .When there is a toll booths collision accident, as vibration is transmitted to the buffer through the toll booth floor, the elastic elements of the buffer seat suspension system absorb and stored energy, delaying the energy transfer to the seat surface,at the same time,damping elements of the suspension system consume energy, reducing the intense movement of the seat surface which achieves the protection purpose for the staff. First, estabalish the general mechanical model and the mathematical model for the staff-seat suspension system. Through derivation and calculation for suspension systems inertia matrix, stiffness matrix, and damping matrix, the dynamic differential equation of the staff seat suspension system is gotten. Then, based on the buffer seat performance requirements and technical indicators, by comprehensive analysis and comparison for the chosen six degree freedom platform, select a suitable buffer seat suspension structure considering the following aspects:reasonable structure, coupling degree of the natural frequency, the damping effect simulation for six directions and so on. On the basis of the theoretical study of the buffer seat suspension system, the buffer seat overall structure is designed. Emphasize on designing shock absorption deviced, rotational link device and the horizontal auxiliary platform device. To study response of buffer seat under impact and verify the structure of the design, analyzes the impact acceleration and displacement response of a seat in a different direction, and calculated to have the greatest impact on the human body frequency by using the finite element method, in order to avoid the resonance frequency and the frequency is close to the seat modal analysis to obtain the natural frequencies and modes of seat. Finally, on the seat static analysis, to test whether the design structure up to standard requirements. 哈尔滨工程大学硕士学位论文 Keywords ： Toll booths;Buffer seat;Structural design;Finite element analys 收费亭安全防护系统缓冲座椅的设计与研究 目 录 第1 章 绪论?1 1.1 课题研究背景及意义?1 1.2 缓冲座椅研究国内外现状?2 1.3 缓冲座椅研究方向?4 1.4 座椅系统安全性?4 1.4.1 座椅系统安全性概述?4 1.4.2 座椅系统的安全性功能?5 1.4.3 座椅系统的安全性结构?6 1.4.4 座椅系统的安全性法规及标准?7 1.5 减振技术研究现状?7 1.6 课题研究内容?8 第2 章 座椅缓冲系统模型的建立?10 2.1 乘员悬架系统力学模型的建立?10 2.1.1 乘员、座椅模型?10 2.1.2 座椅缓冲系统力学模型?10 2.2 座椅缓冲系统数学模型的建立?11 2.2.1 质量和支承点的运动分析?12 2.2.2 惯性矩阵M 的推导?13 2.2.3 刚度矩阵K 的推导?14 2.2.4 阻尼矩阵C 的推导?16 2.3 缓冲座椅悬架系统运动微分方程?18 2.3.1 惯性矩阵M 的计算?18 2.3.2 刚度矩阵K 的计算?20 2.3.3 阻尼矩阵C 的计算?21 2.3.4 乘员座椅悬架系统运动微方程式?21 2.4 本章小结?22 第3 章 缓冲悬架结构的选择?23 3.1 悬架结构合理性比较?23 3.2 悬架振动耦合度比较?23 3.2.1 乘员座椅悬架系统固有频率的计算?23 3.2.2 悬架固有频率MATALAB 计算过程?24 3.2.3 悬架固有频率及耦合度分析与选择?25 3.3 减振效果计算机仿真比较?27 3.3.1 仿真模型的建立?27 3.3.2 悬架方案一仿真结果?28 3.3.3 悬架方案二仿真结果?30 3.3.4 悬架方案三仿真结果?31 3.4 悬架结构选型的确定?32 3.5 本章小结?33 第4 章 悬架系统参数选择与优化?34 4.1 概述?34 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4.2 缓冲座椅悬架系统频率配置?34 4.2.1 激振力频率分析?34 4.2.2 收费亭整体的固有频率?34 4.2.3 人体的敏感频率?35 4.2.4 乘员座椅悬架系统的固有频率配置?35 4.3 缓冲座椅悬架系统参数优化设计?36 4.4 缓冲座椅悬架系统阻尼系数优化?40 4.5 本章小结?42 第5 章 缓冲座椅方案与结构设计?43 5.1 缓冲座椅设计要求?43 5.1.1 功能要求?43 5.1.2 技术参数?43 5.2 缓冲座椅系统总体结构?43 5.3 减振器设计?44 5.3.1 减振器相对阻尼系数的确定?45 5.3.2 最大卸荷力的确定?45 5.3.2 减振器工作缸直径的选择?46 5.3.3 减振器活塞行程的确定?46 5.4 弹簧参数选择?47 5.5 复合球铰设计?47 5.6 辅助悬架的设计?48 5.7 本章小结?49 第6 章 安全座椅有限元分析?50 6.1 有限元法概述与方法简介?50 6.2 静力分析?52 6.2.1 建立实体模型?52 6.2.2 建立有限元模型?52 6.2.3 施加载荷和约束?53 6.2.3 有限元计算结果分析?53 6.3 缓冲座椅模态分析?55 6.3.1 振动与模态?55 6.3.2 模态计算结果说明?55 6.4 座椅冲击响应分析?58 6.4.1 冲击振动有限元分析理论基础?58 6.4.2 冲击振动有限元分析过程说明?58 6.4.2 假人模型的建立?59 6.4.3 座椅X 方向冲击仿真 ?60 6.4.4 座椅Y 方向冲击仿真 ?61 6.4.5 座椅Z 方向冲击仿真?62 6.5 本章小结?63 结 论?64 参考文献 ?65 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果?69 收费亭安全防护系统缓冲座椅的设计与研究 致 谢?70 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章 绪论 第1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 高速公路，作为重要的交通基础设施，是人类社会经济的发展而的产物，与人们的 生活关系密切，对社