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外文資料翻譯
護(hù)理床動力學(xué)優(yōu)化
5.1引言
動力學(xué)是理論力學(xué)的一個分支學(xué)科，它主要研究作用于物體的力與物體運(yùn)動的關(guān)系。動力學(xué)的研究對象是運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體。動力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是許多工程學(xué)科的基礎(chǔ)。
動力學(xué)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(guān)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(hù)理床的運(yùn)動學(xué)分析是基于ADAMS建立于在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的，根據(jù)先前的運(yùn)動學(xué)分析，以運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果作為動力學(xué)分析的初始值，綜合考慮線性推桿的推、拉力的限制以及機(jī)架各支點(diǎn)的受力狀況，主要對線性推桿的受力狀況及各床架支點(diǎn)的受力狀況進(jìn)行動力學(xué)分析。
5.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
5.2.1為機(jī)構(gòu)添加外力
側(cè)翻機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中，會有以下幾個方面對機(jī)構(gòu)運(yùn)動產(chǎn)生影響。它們是機(jī)構(gòu)自身質(zhì)量，患者體重以及各個運(yùn)動副之間的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不計(jì)，只考慮機(jī)構(gòu)的重量及患者的體重。
通過solidworks軟件對虛擬樣機(jī)進(jìn)行質(zhì)量測量，測得背板質(zhì)量為20kg，通過設(shè)計(jì)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(shí)的模擬虛擬樣機(jī)的性能，本文采用背板質(zhì)量為20kg，人體背部重量為50kg。對機(jī)構(gòu)添加力之后，運(yùn)行一次動力學(xué)仿真。測量各個點(diǎn)的受力以及電機(jī)的受力。仿真時(shí)間為25s，步數(shù)為500步。
添加力測量，測得的各點(diǎn)受力曲線如圖5-1所示。
圖5-1 各點(diǎn)受力曲線
5.2.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真
從圖5-1中，得知MAKER_5點(diǎn)的受力最大，機(jī)構(gòu)的受力優(yōu)化就從MARKER_5著入。首先，測試各個設(shè)計(jì)變量對MARKER_5的受力變化的敏感度。運(yùn)行一次動力學(xué)仿真，時(shí)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(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的目標(biāo)為將MARLKER_5點(diǎn)的受力的最大值進(jìn)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(diǎn)優(yōu)化前后受力曲線 5-5各參數(shù)下的翻轉(zhuǎn)角度值
5-2 MARKER_5點(diǎn)優(yōu)化前后受力曲線 5-3 MARKER_1點(diǎn)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(xué)優(yōu)化之后，各支點(diǎn)受力均有明顯的改善，其中圖5-2中MARKER_5點(diǎn)受力從1443N減至1133N，從圖5-5中，背板的轉(zhuǎn)動角度在角度約束的范圍之內(nèi)。
5.2.3樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)
通過以上的分析，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)取值為如表5-1所示
表5-1各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)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(shí)，樣機(jī)的背板轉(zhuǎn)動角加速度最小且各支點(diǎn)的受力也達(dá)到了最小化、滿足了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。動力學(xué)優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)構(gòu)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(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
5.3.1為機(jī)構(gòu)添加力
為了較為真實(shí)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(jī)構(gòu)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(yùn)行一次動力學(xué)優(yōu)化仿真。
5.3.2抬背機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真
為了進(jìn)一步研究線性推桿的受力狀況，以及機(jī)架上各支點(diǎn)的受力狀況，使得機(jī)構(gòu)工作得更安全及更可靠，以抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)優(yōu)化數(shù)據(jù)為動力學(xué)優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為抬背過程中線性推桿受力的最大值最小化，進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化仿真，已得到滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)化參數(shù)。通過設(shè)計(jì)研究對各個設(shè)計(jì)變量進(jìn)行敏感度測試。根據(jù)設(shè)計(jì)研究對各設(shè)計(jì)變量的測試，得到的數(shù)據(jù)報(bào)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(shè)計(jì)研究，觀察計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際變量DV_3、DV_4、DV_6、DV_8的敏感度最大，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候著重考慮上述幾個設(shè)計(jì)變量，對它們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期望得到滿足設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)最優(yōu)化參數(shù)。
5.3.3樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)
通過以上的分析，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)取值為如表5-3所示
表5-3各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)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(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化前后電機(jī)受力曲線
觀察圖5-6可以得知在機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真之后，機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的動力學(xué)性能，機(jī)構(gòu)的受力狀況得到了有效的改善，達(dá)到了預(yù)期的效果，即電機(jī)受力的最大值最小化。
5.4曲腿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
為了真實(shí)的模擬曲腿機(jī)構(gòu)在運(yùn)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(jī)構(gòu)在運(yùn)動學(xué)仿真的基礎(chǔ)之上進(jìn)行一次動力學(xué)仿真，為了得到較為真實(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況，并進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到理想機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
5.4.1為機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真
以運(yùn)動學(xué)優(yōu)化的數(shù)據(jù)作為動力學(xué)優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為電機(jī)受力最大值的最小化。首先，對各個設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)研究的報(bào)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(shè)計(jì)研究的結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化仿真。
圖5-7 曲腿機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化前后電機(jī)受力曲線圖
觀察圖5-7可以得知，經(jīng)過動力學(xué)優(yōu)化后的電機(jī)受力的最大值由原來的4550N減小為優(yōu)化后的2850N，電機(jī)的受力大大的減小，從而保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全性及運(yùn)行的穩(wěn)定性。
5.4.3 樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)
通過以上的分析，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)選取上述設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化，經(jīng)過動力學(xué)優(yōu)化之后，各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)取值為如表5.5所示
表5-5各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)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(shí)，樣機(jī)的線性推桿的受力最小且各支點(diǎn)的受力也達(dá)到了最小化、滿足了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)桿件尺寸變化見表5-6。
表5-6 優(yōu)化前后構(gòu)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(jié)
本章在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的，利用運(yùn)動學(xué)分析的數(shù)據(jù)作為動力學(xué)分析的初始數(shù)據(jù)，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析；在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)要求的基礎(chǔ)上改善機(jī)構(gòu)的動力學(xué)性能及機(jī)架的受力性能。使得樣機(jī)的運(yùn)動性能及受力性能達(dá)到最好，滿足人體工學(xué)以及機(jī)構(gòu)在工作過程中的穩(wěn)定性及安全性。本章是進(jìn)行樣機(jī)物理設(shè)計(jì)的依據(jù)。
6 護(hù)理床的力學(xué)分析
6.1 引言
多功能醫(yī)用護(hù)理床在滿足運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上，需要對其中的一些主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，以便在設(shè)計(jì)的時(shí)候合理的選材，在保證多功能醫(yī)用護(hù)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(xué)計(jì)算
護(hù)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(hù)理床內(nèi)的機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)尺寸，底架長桿的長度為1440mm，床底架長桿上有兩個支撐點(diǎn)，假設(shè)床身的質(zhì)量為400kg，人體的質(zhì)量為150kg，總重為550kg。具體計(jì)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(shè)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(jì)算桿各段所受的剪力及彎矩：
以A為原點(diǎn)，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?yàn)槟鏁r(shí)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?yàn)槟鏁r(shí)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?yàn)槟鏁r(shí)針方向
所以，根據(jù)計(jì)算分析，得出的結(jié)果為B點(diǎn)的受力最大且彎矩也最大，所以B點(diǎn)所在在截面為危險(xiǎn)截面。計(jì)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(shí)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(xué)性能良好，受力情況滿足了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。
6.2.2 抬背桿校核
多功能醫(yī)用護(hù)理床在抬背的時(shí)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(shí)比較危險(xiǎn)的桿件，對其的力學(xué)計(jì)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?yàn)轫槙r(shí)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(shí)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(shí)針方向
所以，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得知B點(diǎn)的剪力最大且所受的彎矩也是最大，綜上所述，B點(diǎn)所在的截面為危險(xiǎn)截面。根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出的剪力圖及彎矩圖如圖6-4所示。
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