多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化【病床醫(yī)療床】【三維SW】【6張CAD高清圖紙和文檔】【YC系列】

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外文資料翻譯 護理床動力學優(yōu)化 5.1引言 動力學是理論力學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。動力學的研究對象是運動速度遠小于光速的宏觀物體。動力學是物理學和天文學的基礎，也是許多工程學科的基礎。 動力學以牛頓第二定律為核心，這個定律指出了力、加速度、質(zhì)量三者間的關系。牛頓首先引入了質(zhì)量的概念，而把它和物體的重力區(qū)分開來，說明物體的重力只是地球?qū)ξ矬w的引力。 多功能醫(yī)用護理床的運動學分析是基于ADAMS建立于在運動學分析的基礎之上的，根據(jù)先前的運動學分析，以運動學分析結果作為動力學分析的初始值，綜合考慮線性推桿的推、拉力的限制以及機架各支點的受力狀況，主要對線性推桿的受力狀況及各床架支點的受力狀況進行動力學分析。 5.2側翻機構動力學分析 5.2.1為機構添加外力 側翻機構在運行的過程中，會有以下幾個方面對機構運動產(chǎn)生影響。它們是機構自身質(zhì)量，患者體重以及各個運動副之間的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不計，只考慮機構的重量及患者的體重。 通過solidworks軟件對虛擬樣機進行質(zhì)量測量，測得背板質(zhì)量為20kg，通過設計手冊查得我國身高1.85m的成年人平均體重為83kg左右。為了真實的模擬虛擬樣機的性能，本文采用背板質(zhì)量為20kg，人體背部重量為50kg。對機構添加力之后，運行一次動力學仿真。測量各個點的受力以及電機的受力。仿真時間為25s，步數(shù)為500步。 添加力測量，測得的各點受力曲線如圖5-1所示。 圖5-1 各點受力曲線 5.2.2側翻機構動力學優(yōu)化仿真 從圖5-1中，得知MAKER_5點的受力最大，機構的受力優(yōu)化就從MARKER_5著入。首先，測試各個設計變量對MARKER_5的受力變化的敏感度。運行一次動力學仿真，時間為25s，步數(shù)為500步，線性推桿移動速度為5.5mm/s，背板質(zhì)心處加力500N，背板自重20kg。運行優(yōu)化設計，優(yōu)化的目標為將MARLKER_5點的受力的最大值進行最小化，仿真后優(yōu)化數(shù)據(jù)如下： Model Name : model_1 Date Run : 2009-04-14 17:13:51 Objectives O1) Maximum of MARKER_5_MEA_1 Units : newton Initial Value: 1444.34 Final Value : 1130.2 (-21.7%) Iter. O1 DV_1 DV_2 DV_8 0 1444.3 150.00 295.00 136.30 1 1133.7 165.00 265.50 135.83 2 1130.2 165.00 265.50 134.94 3 1130.2 165.00 265.50 134.94 5-4 MARKER_21點優(yōu)化前后受力曲線 5-5各參數(shù)下的翻轉角度值 5-2 MARKER_5點優(yōu)化前后受力曲線 5-3 MARKER_1點優(yōu)化前后受力曲線 從圖5-2至5-4中，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過動力學優(yōu)化之后，各支點受力均有明顯的改善，其中圖5-2中MARKER_5點受力從1443N減至1133N，從圖5-5中，背板的轉動角度在角度約束的范圍之內(nèi)。 5.2.3樣機的實際結構 通過以上的分析，在實際設計中，各關鍵點的坐標取值為如表5-1所示 表5-1各關鍵點實際取值 DV_L1/mm DV_L2/mm DV_L4/mm DV_L7/mm DV_L8/mm 初始值 250 245 330 400 370 優(yōu)化值 265 215 346.1 390.28 359.94 此時，樣機的背板轉動角加速度最小且各支點的受力也達到了最小化、滿足了機構的設計要求。動力學優(yōu)化前后機構構件尺寸表如表5-2所示： 表5-2 優(yōu)化前后桿件尺寸對比 A、B水平距離/mm A、B豎直距離/mm BD/mm 初始值 50 65 98.4 優(yōu)化值 35 19 118 5.3抬背機構動力學分析 5.3.1為機構添加力 為了較為真實的模擬人體的質(zhì)量，以及考慮背板的推、拉力的限制，在抬背機構的背部添加豎直向下的均布力，大小為400N，在臀部床板添加400N的力，運行一次動力學優(yōu)化仿真。 5.3.2抬背機構動力學優(yōu)化仿真 為了進一步研究線性推桿的受力狀況，以及機架上各支點的受力狀況，使得機構工作得更安全及更可靠，以抬背機構運動學優(yōu)化數(shù)據(jù)為動力學優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，優(yōu)化目標函數(shù)為抬背過程中線性推桿受力的最大值最小化，進行動力學優(yōu)化仿真，已得到滿足機構設計要求的最優(yōu)化參數(shù)。通過設計研究對各個設計變量進行敏感度測試。根據(jù)設計研究對各設計變量的測試，得到的數(shù)據(jù)報表如下： Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 1914.3 369.00 10.740 2 2134.5 389.50 -0.021580 3 1913.4 410.00 -2.5693 4 2029.1 430.50 -0.019588 5 1912.6 451.00 -5.6838 Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 1913.3 -18.000 0.0037970 2 1913.3 -27.000 -0.0031447 3 1913.4 -36.000 -11.532 4 2120.9 -45.000 -0.0029932 5 1913.5 -54.000 23.048 Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 1925.6 90.000 22.755 2 2039.4 95.000 -1.2229 3 1913.4 100.00 -12.825 4 1911.2 105.00 -0.42287 5 1909.2 110.00 -0.39627 Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 1912.8 -50.800 -0.079290 2 1913.3 -57.150 -0.044021 3 1913.4 -63.500 -0.042952 4 1913.9 -69.850 -0.069998 5 1914.3 -76.200 -0.062845 Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 1913.5 3.9200 0.011536 2 1913.4 0.00000 0.0081747 3 1913.4 -3.9200 -0.012181 4 1913.5 -7.8400 -3.5109 5 1940.9 -11.760 -6.9926 Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777 Trial O1 DV_7 Sensitivity 1 1985.6 306.74 -4.2359 2 1913.4 323.78 -2.1180 3 1913.4 340.82 6.3905 4 2131.2 357.86 0.0011642 5 1913.4 374.90 -12.779 Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777 通過設計研究，觀察計算結果，可以發(fā)現(xiàn)實際變量DV_3、DV_4、DV_6、DV_8的敏感度最大，所以在優(yōu)化設計的時候著重考慮上述幾個設計變量，對它們進行優(yōu)化設計，以期望得到滿足設計要求的機構最優(yōu)化參數(shù)。 5.3.3樣機的實際結構 通過以上的分析，在實際設計中，各關鍵點的坐標取值為如表5-3所示 表5-3各關鍵點實際取值 DV_2/mm DV_5/mm DV_6/mm DV_8/mm 初始值 390 458 330 275 優(yōu)化值 381 452.603 32317 278.8 優(yōu)化前后桿件尺寸變化如表5-4所示。 表5-4 優(yōu)化前后桿件尺寸變化表 A、C豎直距離/mm BC /mm CD /mm DE/mm 初始值 60 236 256 667 優(yōu)化值 62 228 248 659 圖5-6 抬背機構動力學優(yōu)化前后電機受力曲線 觀察圖5-6可以得知在機構動力學仿真之后，機構表現(xiàn)出了良好的動力學性能，機構的受力狀況得到了有效的改善，達到了預期的效果，即電機受力的最大值最小化。 5.4曲腿機構動力學分析 為了真實的模擬曲腿機構在運行過程中的受力性能，以及線性推桿的受力狀況，所以對曲腿機構在運動學仿真的基礎之上進行一次動力學仿真，為了得到較為真實的機構運行狀況，并進行優(yōu)化仿真，得到理想機構設計參數(shù)。 5.4.1為機構添加外力 綜合考慮人體的自身重量以及床板的重量，在小腿板的質(zhì)心處及腳板的質(zhì)心處各添加豎直向下的力，大小為500N。 5.4.2曲腿機構動力學仿真 以運動學優(yōu)化的數(shù)據(jù)作為動力學優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，進行動力學優(yōu)化，優(yōu)化的目標函數(shù)為電機受力最大值的最小化。首先，對各個設計變量進行設計研究，設計研究的報表如下： Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 4229.0 270.00 10.633 2 4548.0 300.00 10.659 3 4868.5 330.00 10.686 Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 4435.8 -56.700 -17.645 2 4519.2 -61.425 -18.141 3 4607.2 -66.150 -18.637 Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 4833.0 156.75 -32.756 2 4427.7 169.12 -28.017 3 4139.6 181.50 -23.278 Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 3850.1 -243.00 -25.573 2 4367.9 -263.25 -26.353 3 4917.4 -283.50 -27.134 Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 4792.4 -81.498 55.604 2 4434.7 -87.932 51.809 3 4125.8 -94.366 48.013 Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 4541.0 -597.60 -0.10561 2 4548.0 -664.00 -0.098506 3 4554.0 -730.40 -0.091406 根據(jù)上述的設計研究的結果對DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5、DV_7、DV_9七變量，作為優(yōu)化設計時的設計變量，進行動力學優(yōu)化仿真。 圖5-7 曲腿機構動力學優(yōu)化前后電機受力曲線圖 觀察圖5-7可以得知，經(jīng)過動力學優(yōu)化后的電機受力的最大值由原來的4550N減小為優(yōu)化后的2850N，電機的受力大大的減小，從而保證了機構運行的安全性及運行的穩(wěn)定性。 5.4.3 樣機的實際結構 通過以上的分析，在優(yōu)化設計時選取上述設計變量作為優(yōu)化設計時的設計變量，進行動力學優(yōu)化，經(jīng)過動力學優(yōu)化之后，各關鍵點的坐標取值為如表5.5所示 表5-5各關鍵點實際取值 DV_1/mm DV_2/mm DV_3/mm DV_4/mm DV_5/mm 初始值 300 -63 165 -270 -85.788 優(yōu)化值 270 -56.7 181.5 -243 -94.36 此時，樣機的線性推桿的受力最小且各支點的受力也達到了最小化、滿足了機構的設計要求。優(yōu)化前后機構桿件尺寸變化見表5-6。 表5-6 優(yōu)化前后構件尺寸變化表 AB/mm BC/mm CD/mm DE/mm BE/mm 初始值 380 144.6 85 207.5 185.6 優(yōu)化值 350 136.7 83.6 209.35 192.8 5.5本章小結 本章在運動學分析的基礎之上的，利用運動學分析的數(shù)據(jù)作為動力學分析的初始數(shù)據(jù)，對機構進行動力學分析；在滿足機構運動學要求的基礎上改善機構的動力學性能及機架的受力性能。使得樣機的運動性能及受力性能達到最好，滿足人體工學以及機構在工作過程中的穩(wěn)定性及安全性。本章是進行樣機物理設計的依據(jù)。 6 護理床的力學分析 6.1 引言 多功能醫(yī)用護理床在滿足運動學及動力學性能要求的基礎上，需要對其中的一些主要零件進行強度校核，以便在設計的時候合理的選材，在保證多功能醫(yī)用護理床安全性和穩(wěn)定型以及盡可能的降低生產(chǎn)成本。 6.2 力學計算 護理床各主要部件及連桿材料均選用Q235A鋼 6.2.1床底架桿校核 考慮到由于多功能醫(yī)用護理床內(nèi)的機構角度，不可避免的會使床的質(zhì)量增加。由于整床的重量將全部壓在床底架長桿上，所以底架長桿將會是受力最大的桿件，根據(jù)設計尺寸，底架長桿的長度為1440mm，床底架長桿上有兩個支撐點，假設床身的質(zhì)量為400kg，人體的質(zhì)量為150kg，總重為550kg。具體計算如下所示： 圖6-1 床底架受力示意圖 根據(jù)solidworks的稱重功能，測得床的質(zhì)量為365kg，假設床身的質(zhì)量為400kg，人體的質(zhì)量為150kg，總重為550kg。所以 F2=F3=2750N，=1440mm，=1020mm, =70mm。 根據(jù)力矩平衡公式： F1×=F2×+F3× 得：F1==2215.3N =F1+F4=F2+F3 得F4=3284.7N 通過上述已知條件，計算桿各段所受的剪力及彎矩： 以A為原點，在AB端內(nèi)： 剪力 F=F1=2215.3N，方向向下 彎矩 M=F1×x 得：M=0~775.355N·M，方向為逆時針方向 在BC段內(nèi)： 剪力F=F2-F1=534.7N，方向向上 彎矩 M=F1×x-F2×（x-0.35） 得：M=229.9~775.355N·M，方向為逆時針方向 在CD段內(nèi)： 剪力F=F4=3284.7N，方向向上 彎矩 M=F4×x 得：M=0~229.9N·M，方向為逆時針方向 所以，根據(jù)計算分析，得出的結果為B點的受力最大且彎矩也最大，所以B點所在在截面為危險截面。計算后的剪力圖及彎矩圖如圖6-2所示。 圖6-2 床底架剪力及彎矩圖 根據(jù)剪力及彎矩圖說明了床底架桿在整體上的受力并沒有發(fā)生突變，同時也不存在在某段的力值特別大的現(xiàn)象，所以從整體上而言，床框架的力學性能良好，受力情況滿足了機構的設計要求。 6.2.2 抬背桿校核 多功能醫(yī)用護理床在抬背的時候，其抬背擺桿將是受力較大的桿件，由于人的背部質(zhì)量較大，所以其將會時比較危險的桿件，對其的力學計算如下。 圖6-3抬背桿受力示意圖 按照人體的質(zhì)量及床板的質(zhì)量均分，則圓整后的數(shù)據(jù)為F1=500N，方向向上。 F3x=950N，F(xiàn)3y=2039N，=830mm，=680mm, =54mm。 F2x=F3x=950N，F(xiàn)2y=F1+F3y=500+2039=2539N 在AB段 剪力 F=F1=500N，方向向上 彎矩 M=F×x，得：M=0~340N·M，方向為順時針方向 在BC段 剪力 F= F3y=2039N，方向向下 彎矩 M=F2y×（x-0.68）-F1×x (0.68≤x≤0.734) 得：M=229.9~340N·M，方向逆時針方向 M= F2y×（x-0.68）+F2x×-F1×x （0.734≤x≤0.83） 得：M=-18.5~229.9 N·M，方向逆時針方向 所以，根據(jù)上述計算結果，得知B點的剪力最大且所受的彎矩也是最大，綜上所述，B點所在的截面為危險截面。根據(jù)計算結果畫出的剪力圖及彎矩圖如圖6-4所示。 10