基于ANSYS Workbench醫療床結構分析及優化設計

摘要 ?機械臂式醫療床是能夠在計算機控制下完成作業的醫療設備，通過ANSYS軟件對醫療床機器人進行靜力分析，驗證醫療床在極限工作狀態下結構設計的合理性。經過相關分析可知醫療床滿足剛度和強度的技術要求，有必要再利用有限元軟件對其進行優化處理，分別研究優化數學模型，確定合理的設計變量、約束條件和目標函數，對醫療床結構進行有限元分析、結構分析和靈敏度分析。優化是以減輕醫療床上臂的質量為優化目的，利用ANSYS有限元軟件的Screening（篩選法）對數學模型進行尺寸優化，選出最優解并更新模型重新計算，同時對比優化前后的結果，上臂的質量減少了44.05kg，優化比為26.3%。

關鍵詞 ANSYS;醫療床;結構分析;優化設計

1.仿真結果及分析

對醫療床劃分網格、設置材料和約束邊界條件后，進行靜力學仿真分析求解，得出應力云圖和位移云圖結果如圖1-1到1-2所示。

通過以上應力和變形云圖可知，受到應力最大的部位是在上臂與連接板之間的旋轉軸上，最大應力為20.65MPa，該旋轉軸使用的材料是45#鋼，屈服強度為355MPa，經過驗算旋轉軸在極限位置時所受到的最大應力遠遠小于該材料的許應應力，符合強度要求。而醫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，也是符合設計指標床面加載位置變化小于0.5mm的技術要求。通過此次仿真結果反映出醫療床還有很大的優化空間，在達到技術要求的同時，可以選擇減輕機器部件的重量，達到節約材料和降低生產成本的效果。

2.醫療床上臂的尺寸優化

對于醫療床結構優化部分選擇上臂為優化對象，即是由側板和頂板焊接的一個懸臂，由于腫瘤患者在治療過程中，醫療床上臂始終處以懸臂的狀態，對整個醫療床來說是一個最重要的部件，為了讓整個懸臂在滿足設計要求的情況下減輕質量達到減少整體模型重量和減少制造成本目的，結合對醫療床結構的具體分析，本課題采取對醫療床上臂進行尺寸優化，即對上臂的關鍵尺寸優化求得最優解。

3.設計變量和確定優化參數

建立好醫療床的有限元模型，需要選擇上臂零部件的幾何參數為設計變量，上臂的組成由頂板和側板，根據機構的空間布局的特點，結構設計要求上臂的長度的尺寸大小不能發生改變，為了在滿足變形的條件下減輕上臂的質量，很明顯這里可以選擇頂板和側板的厚度為變量，頂板厚度設計變量優化范圍為3mm-7mm之間，側板厚度的設計變量優化范圍為12mm-20mm之間，選擇不同的設計變量直接關系到優化的結果，因此選擇設計變量需要符合以下原則[2]：

（1）選取的設計變量必須對目標函數有較大的影響。

（2）選擇的部件變量是獨立的變量。

（3）設計的變量需要考慮到實際工程中的應。

（4）選擇合適的設計變量數目。

根據醫療床上臂結構的特點，上臂的的頂板和側板的厚度之間關系到上臂總體的重量，因此選擇這兩塊板的厚度作為設計變量。上臂的結構如圖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計變量對結果的影響，設置側板厚度的范圍為12mm-20mm，為了減少計算時間提高效率，間隔數值選擇4mm。頂板的厚度范圍為3mm-7mm，間隔數值為2mm。分別選擇好變量的范圍后在計算機中自動生成9組不同的設計值，通過計算反復迭代處理上臂的優化模型，得出每組設計變量分別對應的床面最大變形、上臂的質量的具體值，為不同設計參數計算求解的對應的目標函數。

5.確定最優解

由曲線圖可知，很明顯應當選擇3mm厚的頂板和12mm的側板，這組設計變量在保證床面變形量能符合技術要求的前提下可以大量的減輕兩種鋼板的厚度，達到減輕醫療床整體重量、減少制造材料、減少浪費的目的，重新選擇好一組參數，然后帶入模型重新更新計算，并重新對醫療床進行靜力分析。

6.靜力學分析結果及驗證

將上臂參數化優化后.的模型導入ANSYS Workbench后重新進行靜力分析，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力應圖如下圖6-1所示。

根據優化前后的靜力學分析，對比優化前后的應力和變形的變化情況，結果如下表6-1所示。

參考文獻：

[1]李喆.機械設計的有限元分析及結構優化[J].機電工程技術，2008，37（7）：128-130.

[2]陳立周.機械優化設計方法[M].北京：冶金工業出版社，2005：3.

作者簡介：王煥平（1992.12），女 漢族 江西贛州人 學歷：碩士 職稱：無，從事特種設備檢驗檢測工作。