基于ANSYS Workbench醫(yī)療床結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要 ?機(jī)械臂式醫(yī)療床是能夠在計(jì)算機(jī)控制下完成作業(yè)的醫(yī)療設(shè)備，通過ANSYS軟件對(duì)醫(yī)療床機(jī)器人進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證醫(yī)療床在極限工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)過相關(guān)分析可知醫(yī)療床滿足剛度和強(qiáng)度的技術(shù)要求，有必要再利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，分別研究?jī)?yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定合理的設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)，對(duì)醫(yī)療床結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析、結(jié)構(gòu)分析和靈敏度分析。優(yōu)化是以減輕醫(yī)療床上臂的質(zhì)量為優(yōu)化目的，利用ANSYS有限元軟件的Screening（篩選法）對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行尺寸優(yōu)化，選出最優(yōu)解并更新模型重新計(jì)算，同時(shí)對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)果，上臂的質(zhì)量減少了44.05kg，優(yōu)化比為26.3%。

關(guān)鍵詞 ANSYS;醫(yī)療床;結(jié)構(gòu)分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.仿真結(jié)果及分析

對(duì)醫(yī)療床劃分網(wǎng)格、設(shè)置材料和約束邊界條件后，進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析求解，得出應(yīng)力云圖和位移云圖結(jié)果如圖1-1到1-2所示。

通過以上應(yīng)力和變形云圖可知，受到應(yīng)力最大的部位是在上臂與連接板之間的旋轉(zhuǎn)軸上，最大應(yīng)力為20.65MPa，該旋轉(zhuǎn)軸使用的材料是45#鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa，經(jīng)過驗(yàn)算旋轉(zhuǎn)軸在極限位置時(shí)所受到的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的許應(yīng)應(yīng)力，符合強(qiáng)度要求。而醫(yī)療床最大的變形位置是碳纖維床板端面處，Z方向約為0.309mm，也是符合設(shè)計(jì)指標(biāo)床面加載位置變化小于0.5mm的技術(shù)要求。通過此次仿真結(jié)果反映出醫(yī)療床還有很大的優(yōu)化空間，在達(dá)到技術(shù)要求的同時(shí)，可以選擇減輕機(jī)器部件的重量，達(dá)到節(jié)約材料和降低生產(chǎn)成本的效果。

2.醫(yī)療床上臂的尺寸優(yōu)化

對(duì)于醫(yī)療床結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分選擇上臂為優(yōu)化對(duì)象，即是由側(cè)板和頂板焊接的一個(gè)懸臂，由于腫瘤患者在治療過程中，醫(yī)療床上臂始終處以懸臂的狀態(tài)，對(duì)整個(gè)醫(yī)療床來(lái)說是一個(gè)最重要的部件，為了讓整個(gè)懸臂在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下減輕質(zhì)量達(dá)到減少整體模型重量和減少制造成本目的，結(jié)合對(duì)醫(yī)療床結(jié)構(gòu)的具體分析，本課題采取對(duì)醫(yī)療床上臂進(jìn)行尺寸優(yōu)化，即對(duì)上臂的關(guān)鍵尺寸優(yōu)化求得最優(yōu)解。

3.設(shè)計(jì)變量和確定優(yōu)化參數(shù)

建立好醫(yī)療床的有限元模型，需要選擇上臂零部件的幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，上臂的組成由頂板和側(cè)板，根據(jù)機(jī)構(gòu)的空間布局的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求上臂的長(zhǎng)度的尺寸大小不能發(fā)生改變，為了在滿足變形的條件下減輕上臂的質(zhì)量，很明顯這里可以選擇頂板和側(cè)板的厚度為變量，頂板厚度設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化范圍為3mm-7mm之間，側(cè)板厚度的設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化范圍為12mm-20mm之間，選擇不同的設(shè)計(jì)變量直接關(guān)系到優(yōu)化的結(jié)果，因此選擇設(shè)計(jì)變量需要符合以下原則[2]：

（1）選取的設(shè)計(jì)變量必須對(duì)目標(biāo)函數(shù)有較大的影響。

（2）選擇的部件變量是獨(dú)立的變量。

（3）設(shè)計(jì)的變量需要考慮到實(shí)際工程中的應(yīng)。

（4）選擇合適的設(shè)計(jì)變量數(shù)目。

根據(jù)醫(yī)療床上臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，上臂的的頂板和側(cè)板的厚度之間關(guān)系到上臂總體的重量，因此選擇這兩塊板的厚度作為設(shè)計(jì)變量。上臂的結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。

4.靈敏度分析

敏感度的分析可以直觀明顯的看出設(shè)計(jì)變量對(duì)結(jié)果的影響，設(shè)置側(cè)板厚度的范圍為12mm-20mm，為了減少計(jì)算時(shí)間提高效率，間隔數(shù)值選擇4mm。頂板的厚度范圍為3mm-7mm，間隔數(shù)值為2mm。分別選擇好變量的范圍后在計(jì)算機(jī)中自動(dòng)生成9組不同的設(shè)計(jì)值，通過計(jì)算反復(fù)迭代處理上臂的優(yōu)化模型，得出每組設(shè)計(jì)變量分別對(duì)應(yīng)的床面最大變形、上臂的質(zhì)量的具體值，為不同設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算求解的對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

5.確定最優(yōu)解

由曲線圖可知，很明顯應(yīng)當(dāng)選擇3mm厚的頂板和12mm的側(cè)板，這組設(shè)計(jì)變量在保證床面變形量能符合技術(shù)要求的前提下可以大量的減輕兩種鋼板的厚度，達(dá)到減輕醫(yī)療床整體重量、減少制造材料、減少浪費(fèi)的目的，重新選擇好一組參數(shù)，然后帶入模型重新更新計(jì)算，并重新對(duì)醫(yī)療床進(jìn)行靜力分析。

6.靜力學(xué)分析結(jié)果及驗(yàn)證

將上臂參數(shù)化優(yōu)化后.的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench后重新進(jìn)行靜力分析，步驟和前面的靜力分析一致，這里不再詳述。其床面的變形云圖和應(yīng)力應(yīng)圖如下圖6-1所示。

根據(jù)優(yōu)化前后的靜力學(xué)分析，對(duì)比優(yōu)化前后的應(yīng)力和變形的變化情況，結(jié)果如下表6-1所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]李喆.機(jī)械設(shè)計(jì)的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（7）：128-130.

[2]陳立周.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005：3.

作者簡(jiǎn)介：王煥平（1992.12），女 漢族 江西贛州人 學(xué)歷：碩士 職稱：無(wú)，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。