文档介绍：电动手术床床体有限元分析
手术床是部队基层卫勤机构的基本医疗救护装备之一。现行装备大多是20世纪60年代产品,功能少,稳定性差;少数消化吸收的手术床,体积、质量过大,搬运困难。1999年山西奥瑞特公司研制的可折叠式手术床可调节多种体位,但质量太大(145 kg),搬运和展开、撤收困难,床架折叠机构的横螺丝杠与床架横框架的连接结构不合理,床面升降力矩大,摇动手摇把费力,操作困难。为适应高技术局部战争条件下战伤急救手术的需要,部队急需一种稳定性好、功能比较齐全、便于机动、适于平战时使用的便携式手术床,作为我军手术台的更新换代产品。
    目前,国内对机械结构的设计与研究已经从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。但往往在确定主要零部件的参数时还未广泛应用优化设计方法。优化设计不仅可以降低结构质量和材料成本,而且能够改进结构的强度、刚度、振动、屈曲稳定性等性能,具有重要的应用价值。基于此,研究思路是在原有手术床结构基础上,在结构改进的同时进行尺寸优化,即运用有限元分析软件ANSYS对手术床床体进行力学分析,在分析结果基础上,建立分步优化数学模型。为验证优化模型与方法是否正确,能否客观地反映实际工况,以及计算结果的合理性,进行电测量实验。
    1 床体有限元分析
    在进行床体有限元分析时,主要考虑以下4个方面的要求: (1)根据计算模型准确性原则,尽量保持原床的主要结构特征,适当忽略或简化对整床应力分布影响较小的细微特征以化建模工作[3]; (2)根据床体结构形式和受力特点,合理确定床架的单元; (3)综合考虑单元类型、建模方法、力学模型、承载等多种因素,较准确地划分网格,控制计算精度与计算规模; (4)正确加载与施加约束以及边界条件。基于上述要求,选取床体结构件为Beam3单元(3结点梁单元),以刚性单元定义焊接点和铆接点,取网格宽度为2. 5mm。网格划分后得到图2所示的手术床有限元模型。将与地面接触的全部节点视为固定端,约束其平动和转动共6个自由度。下面将分别考虑两种加载工况:
    (1)100 kg质量按比例作用在手术床台面4个区域上,模拟躺姿工况。
    (2)100 kg质量按比例作用在腿板下折30b、背板上折50b的手术床台面上,模拟坐姿工况。以躺姿工况为例,加载方式如图3所示。根据人体各部位(头、躯干、四肢等)质量相对于人体总质量的比例关系以及***人体尺寸的比例关系,可得上述集中力的大小和作用位置[4]:由《机械设计手册》查得床体相应材料参数[6](见表1)。对于塑性材料,~,但考虑到机械结构特点和床体稳定性因素,以及当人的肢体扶持压下器械边缘时的瞬时产生的动载荷,故安全系数取n =4。则支腿、底撑转接梁、蜗轮蜗杆安装轴的许用应力值为[Rs] =4