护理床动力学优化

1、 PAGE 10护理床动力学优化5.1引言动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。动力学以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。牛顿首先引入了质量的概念，而把它和物体的重力区分开来，说明物体的重力只是地球对物体的引力。多功能医用护理床的运动学分析是基于ADAMS建立于在运动学分析的基础之上的，根据先前的运动学分析，以运动学分析结果作为动力学分析的初始值，综合考虑线性推杆的推、拉力的限制以及机架各支点的受力状况，主要对线性推杆的受力状况

2、及各床架支点的受力状况进行动力学分析。5.2侧翻机构动力学分析5.2.1为机构添加外力侧翻机构在运行的过程中，会有以下几个方面对机构运动产生影响。它们是机构自身质量，患者体重以及各个运动副之间的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不计，只考虑机构的重量及患者的体重。通过solidworks软件对虚拟样机进行质量测量，测得背板质量为20kg，通过设计手册查得我国身高1.85m的成年人平均体重为83kg左右。为了真实的模拟虚拟样机的性能，本文采用背板质量为20kg，人体背部重量为50kg。对机构添加力之后，运行一次动力学仿真。测量各个点的受力以及电机的受力。仿真时间为25s，步数为500步。添加力测量

3、，测得的各点受力曲线如图5-1所示。图5-1 各点受力曲线5.2.2侧翻机构动力学优化仿真从图5-1中，得知MAKER_5点的受力最大，机构的受力优化就从MARKER_5着入。首先，测试各个设计变量对MARKER_5的受力变化的敏感度。运行一次动力学仿真，时间为25s，步数为500步，线性推杆移动速度为5.5mm/s，背板质心处加力500N，背板自重20kg。运行优化设计，优化的目标为将MARLKER_5点的受力的最大值进行最小化，仿真后优化数据如下：Model Name : model_1Date Run : 2009-04-14 17:13:51Objectives O1) Maximum

4、 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 1130.2 165.00 265.50 134.945-4 MARKER_21点优化前后受力曲线 5-5各参数下的翻转角度值5-2 MARKER_5点优化前后受力曲线 5-3 MARKER_1点

5、优化前后受力曲线从图5-2至5-4中，可以发现经过动力学优化之后，各支点受力均有明显的改善，其中图5-2中MARKER_5点受力从1443N减至1133N，从图5-5中，背板的转动角度在角度约束的范围之内。5.2.3样机的实际结构通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表5-1所示表5-1各关键点实际取值DV_L1/mmDV_L2/mmDV_L4/mmDV_L7/mmDV_L8/mm初始值250245330400370优化值265215346.1390.28359.94此时，样机的背板转动角加速度最小且各支点的受力也达到了最小化、满足了机构的设计要求。动力学优化前后机构构件尺寸表如

6、表5-2所示：表5-2 优化前后杆件尺寸对比A、B水平距离/mmA、B竖直距离/mmBD/mm初始值506598.4优化值35191185.3抬背机构动力学分析5.3.1为机构添加力为了较为真实的模拟人体的质量，以及考虑背板的推、拉力的限制，在抬背机构的背部添加竖直向下的均布力，大小为400N，在臀部床板添加400N的力，运行一次动力学优化仿真。5.3.2抬背机构动力学优化仿真为了进一步研究线性推杆的受力状况，以及机架上各支点的受力状况，使得机构工作得更安全及更可靠，以抬背机构运动学优化数据为动力学优化的初始数据，优化目标函数为抬背过程中线性推杆受力的最大值最小化，进行动力学优化仿真，已得到满

7、足机构设计要求的最优化参数。通过设计研究对各个设计变量进行敏感度测试。根据设计研究对各设计变量的测试，得到的数据报表如下：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 -5.6838Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 1913.3 -18.000 0.0037970 2 1913.3 -27.000 -0.0031447 3 1913.4 -

8、36.000 -11.532 4 2120.9 -45.000 -0.0029932 5 1913.5 -54.000 23.048Trial 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 -0.39627Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 1912.8 -50.800 -0.079290 2 1913.3 -57.150 -0.044021 3 1913.4

9、 -63.500 -0.042952 4 1913.9 -69.850 -0.069998 5 1914.3 -76.200 -0.062845Trial 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 -6.9926Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238

10、3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777Trial 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 -12.779Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 19

11、13.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777通过设计研究，观察计算结果，可以发现实际变量DV_3、DV_4、DV_6、DV_8的敏感度最大，所以在优化设计的时候着重考虑上述几个设计变量，对它们进行优化设计，以期望得到满足设计要求的机构最优化参数。5.3.3样机的实际结构通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表5-3所示表5-3各关键点实际取值DV_2/mmDV_5/mmDV_6/mmDV_8/mm初始值390458330275优化值381452.60332317278.8优化前后杆

12、件尺寸变化如表5-4所示。表5-4 优化前后杆件尺寸变化表A、C竖直距离/mmBC /mmCD /mmDE/mm初始值60236256667优化值62228248659图5-6 抬背机构动力学优化前后电机受力曲线观察图5-6可以得知在机构动力学仿真之后，机构表现出了良好的动力学性能，机构的受力状况得到了有效的改善，达到了预期的效果，即电机受力的最大值最小化。5.4曲腿机构动力学分析为了真实的模拟曲腿机构在运行过程中的受力性能，以及线性推杆的受力状况，所以对曲腿机构在运动学仿真的基础之上进行一次动力学仿真，为了得到较为真实的机构运行状况，并进行优化仿真，得到理想机构设计参数。5.4.1为机构添加

13、外力综合考虑人体的自身重量以及床板的重量，在小腿板的质心处及脚板的质心处各添加竖直向下的力，大小为500N。5.4.2曲腿机构动力学仿真以运动学优化的数据作为动力学优化的初始数据，进行动力学优化，优化的目标函数为电机受力最大值的最小化。首先，对各个设计变量进行设计研究，设计研究的报表如下：Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 4229.0 270.00 10.633 2 4548.0 300.00 10.659 3 4868.5 330.00 10.686Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 4435.8 -56.700 -17.645 2 4519.2 -

14、61.425 -18.141 3 4607.2 -66.150 -18.637Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 4833.0 156.75 -32.756 2 4427.7 169.12 -28.017 3 4139.6 181.50 -23.278Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 3850.1 -243.00 -25.573 2 4367.9 -263.25 -26.353 3 4917.4 -283.50 -27.134Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 4792.4 -81.498 55.604 2 4434.7 -87.9

15、32 51.809 3 4125.8 -94.366 48.013Trial 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根据上述的设计研究的结果对DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5、DV_7、DV_9七变量，作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化仿真。图5-7 曲腿机构动力学优化前后电机受力曲线图观察图5-7可以得知，经过动力学优化后的电机受力的最大值由原来的4550N减小为优化后的2850N，电机的受力大大的减小，从而保证

16、了机构运行的安全性及运行的稳定性。5.4.3 样机的实际结构 通过以上的分析，在优化设计时选取上述设计变量作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化，经过动力学优化之后，各关键点的坐标取值为如表5.5所示表5-5各关键点实际取值DV_1/mmDV_2/mmDV_3/mmDV_4/mmDV_5/mm初始值300-63165-270-85.788优化值270-56.7181.5-243-94.36此时，样机的线性推杆的受力最小且各支点的受力也达到了最小化、满足了机构的设计要求。优化前后机构杆件尺寸变化见表5-6。表5-6 优化前后构件尺寸变化表AB/mmBC/mmCD/mmDE/mmBE/mm初始值

17、380144.685207.5185.6优化值350136.783.6209.35192.85.5本章小结本章在运动学分析的基础之上的，利用运动学分析的数据作为动力学分析的初始数据，对机构进行动力学分析；在满足机构运动学要求的基础上改善机构的动力学性能及机架的受力性能。使得样机的运动性能及受力性能达到最好，满足人体工学以及机构在工作过程中的稳定性及安全性。本章是进行样机物理设计的依据。6 护理床的力学分析6.1 引言多功能医用护理床在满足运动学及动力学性能要求的基础上，需要对其中的一些主要零件进行强度校核，以便在设计的时候合理的选材，在保证多功能医用护理床安全性和稳定型以及尽可能的降低生产成本

18、。6.2 力学计算护理床各主要部件及连杆材料均选用Q235A钢6.2.1床底架杆校核考虑到由于多功能医用护理床内的机构角度，不可避免的会使床的质量增加。由于整床的重量将全部压在床底架长杆上，所以底架长杆将会是受力最大的杆件，根据设计尺寸，底架长杆的长度为1440mm，床底架长杆上有两个支撑点，假设床身的质量为400kg，人体的质量为150kg，总重为550kg。具体计算如下所示：图6-1 床底架受力示意图根据solidworks的称重功能，测得床的质量为365kg，假设床身的质量为400kg，人体的质量为150kg，总重为550kg。所以F2=F3=2750N，=1440mm，=1020mm, =70mm。根据力矩平衡公式：F1=F2+F3得：F1=2215.3N=F1+F4=F2+F3得F4=3284.7N通过上述已知条件，计算杆各段所受的剪力及弯矩：以A为原点，在AB端内：剪力 F=F1=2215.3N，方向向下弯矩 M=F1x 得：M=0775.355NM，方向为逆时针方向在BC段内：剪力F=F2-F1=534.7N，方向向上弯矩 M=F1x-F2（x-0.35） 得：M=229.9775.355NM，方向为逆时针方向在CD段内：剪力F=F4=3284.7N，方向向上弯矩 M=F4x 得：M=0229.9NM，方向为逆时