基于數(shù)值仿真與優(yōu)化的老年人起居椅結構設計*

張冬冬，周 鑫，盧 煜，蘇子超

（浙江機電職業(yè)技術學院智能制造學院，杭州 310053）

0 引言

目前，我國正逐漸步入老齡化社會，老年人的數(shù)量正在迅速增加。研究表明，老年人獨居時常常因為年紀的增大會出現(xiàn)下肢力量衰弱，從而導致上下床不便、如廁困難等問題，甚至很多老年人在上下床時因下肢力量不夠，身體失穩(wěn)而導致意外傷害的發(fā)生。現(xiàn)有的各類電動輪椅大多只能輔助老年人出行，單純起到了交通工具的作用，而不具備輔助老年人居家生活的功能。為了提高老年人獨自起居生活的能力，本文從人機工程角度出發(fā)，設計了一種老年人起居椅，滿足下肢力量逐漸衰弱的老人居家生活時所需要的上下床和上廁所等輔助需求。借鑒企業(yè)對相關產(chǎn)品的測試要求，本文對起居椅結構的關鍵部分做了力學性能分析，基于結構強度和剛度的不足對起居椅的關鍵結構進行優(yōu)化設計以提高結構的強度和剛度，制作實物樣機并驗證其功能特性，根據(jù)企業(yè)的樣機測試要求對實物樣機進行了測試，得到了滿意的結果。

1 老年人起居椅的結構設計

老年人群體由于下肢力量衰弱，居家生活時往往難以獨自完成上下床和上廁所等活動，還容易發(fā)生碰撞、摔跤等危險情況。為了更好地提高老年人獨自居家生活能力，本文結合人機工程學要求，設計了一種老年人起居椅，其總體結構如圖1 所示。起居椅的功能主要在于輔助老年人完成上下床和上廁所等“坐-起”動作。因此，在設計結構時需要充分保證坐板下方的空間，以實現(xiàn)將老年人送至床面或坐便器上方的功能要求。起居椅設計有坐板開合機構，以雙輸出軸蝸輪蝸桿減速電機為動力源，通過兩對錐齒輪的傳動實現(xiàn)坐板的旋轉開合運動。考慮到老年人下肢力量衰弱而難以獨自完成上下動作，同時還設計了以電動推桿為動力的曲柄滑塊機構實現(xiàn)輔助拉起和輔助坐下功能，電動推桿伸縮時可以實現(xiàn)把手的擺動，老年人手持把手即可借助機構的運動實現(xiàn)上下的動作。

圖1 總體結構模型

使用時，若老年人需要下坐，只需按下遙控器開關，前側減速電機即開始運轉，驅(qū)動坐板打開，形成下坐空間，此時電動推桿伸出，驅(qū)動把手向下擺動，輔助老年人坐在床上或坐便器上，達到輔助起居的目的。

2 有限元數(shù)值模擬分析

本文基于ANSYS WORKBENCH 環(huán)境，根據(jù)企業(yè)的設計和實物樣機測試要求進行靜態(tài)和瞬態(tài)結構有限元分析，以模擬結構在靜態(tài)載荷和沖擊載荷作用下的力學性能響應。有限元數(shù)值模擬分析的基本理論依據(jù)是經(jīng)典力學理論，其動力學通用方程為[1-2]：

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度系數(shù)矩陣；x為位移矢量；F為力矢量。

2.1 靜態(tài)結構分析

線性靜態(tài)結構分析通常用于計算結構在靜態(tài)載荷作用下引起的位移、應力和應變等。對于本文所研究的起居椅結構，設計和實物樣機測試要求其能夠承受G=100 kg 測試載荷的作用而不發(fā)生不可逆塑性變形，這一外加測試載荷與時間無關，不考慮慣性影響因素，因此靜態(tài)結構分析時的位移x可以通過以下簡化后的力學方程求解[2-3]。

Kx=F(t)

將簡化后的模型以step 格式導入到AW 環(huán)境中的Static Structure 模塊，首先對模型進行材料設置，本文所設計起居椅主體結構為SUS304不銹鋼焊接或螺栓緊固連接結構，坐板及回轉支撐銷軸采用45 號優(yōu)質(zhì)碳鋼材料，材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。完成材料設置后進行有限元仿真前處理，完成接觸設置和網(wǎng)格劃分以獲得有限元模型。在兩側坐板分別施加重力方向上500 N 的測試載荷，并在底部框架連接孔上施加固定約束，運行求解后通過有限元后處理得到仿真結果如圖2 所示。由圖可知，結構在靜態(tài)測試載荷作用下，最大等效應力約為352.8 MPa，最大變形量越為26.9 mm，較大應力主要集中在底部框架前端和弧形支撐梁位置，且最大等效應力超過了該處材料的屈服極限205 MPa，所以結構會發(fā)生不可逆的塑性變形。

表1 起居椅結構材料及其力學性能參數(shù)

圖2 靜態(tài)仿真分析結果

2.2 瞬態(tài)結構分析

根據(jù)實物樣機的沖擊測試要求，本文還對結構進行了沖擊仿真分析，沖擊仿真屬于瞬態(tài)結構分析范疇，與靜態(tài)結構分析時不考慮慣性影響因素不同，瞬態(tài)結構分析時需要考慮重力加速度等慣性因素的影響。

分析時，在坐板上方設置一材料為Q235的柱形質(zhì)量塊來模擬25 kg的沖擊測試載荷，實物沖擊測試時要求重物是由250 mm高度處自由落體沖擊坐板，從而檢驗結構的抗沖擊能力，為了減少有限元分析時的運算工作量，本文將質(zhì)量塊放置在坐板上方10 mm 位置并施加一定初始速度，以模擬其是由250 mm高度自由落下，根據(jù)自由落體運動方程[2,4-5]：

式中：v1為質(zhì)量塊自由落體下落至坐板上方10 mm 時的瞬時速度；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為自由落體的高度，取240 mm。

代入數(shù)據(jù)計算后，得到v1=2.168 8 m/s。將簡化后的模型導入到AW 環(huán)境的Transient Structure 模塊，進行材料設置和有限元前處理后，施加約束、重力加速度和質(zhì)量塊初始速度等條件，并對時間進行設置。運行求解后得到結構在沖擊載荷作用下的力學性能響應，由于沖擊過程中結構的瞬態(tài)響應比較復雜，所以本文只提取沖擊瞬間結構的最大響應云圖如圖3 所示。由圖可知，在沖擊測試載荷沖擊坐板瞬間，結構的最大等效應力約為184.2 MPa，最大變形量約為3.7 mm，較大應力主要集中在坐板及坐板回轉支撐銷軸附近，這與坐板的懸伸特性以及回轉支撐部分的接觸面積較小有關，但最大應力小于材料355 MPa 的屈服極限，因此結構在沖擊載荷下不會發(fā)生塑性變形，最大變形量也在允許范圍之內(nèi)。

圖3 瞬態(tài)結構分析結果

3 起居椅結構優(yōu)化設計

根據(jù)有限元仿真分析結果，靜態(tài)載荷下較大的應力主要集中在底架前側豎向支撐管以及與其相連的弧形支撐板上，分析產(chǎn)品結構不難看出，這主要是由于工作受載時，坐板上施加的載荷相當于懸伸力，在不干涉?zhèn)鲃虞S運轉以及整個起居椅的前后行走與工作的前提下，優(yōu)化設計時在兩側扶手下方設置了支撐桿，以提高框架的整體強度與剛度，如圖4（a）所示。沖擊載荷下兩側坐板和回轉支撐銷軸同樣存在較大的應力集中，優(yōu)化設計時通過改變坐板結構增加坐板和回轉支撐銷軸的接觸面，如圖4（b）所示[6-10]。

圖4 起居椅結構優(yōu)化設計

為了檢驗優(yōu)化設計的合理性和有效性，對優(yōu)化后的模型進行有限元仿真分析，得到優(yōu)化后結構的靜態(tài)結構分析和瞬態(tài)沖擊分析結果，如圖5 所示。由圖5（a）可知，優(yōu)化后的結構在靜態(tài)載荷作用下的最大等效應力約為126.8 MPa，最大變形量約為4.0 mm，最大應力遠小于材料的屈服極限，結構不會發(fā)生不可逆的塑性變形。由圖5（b）可知，優(yōu)化后的結構在沖擊載荷作用下，最大等效應力約為153.2 MPa，最大變形量約為2.5 mm，結構強度和剛度得到進一步的提高，優(yōu)化后的結構符合產(chǎn)品的設計要求和實物樣機測試要求。

圖5 優(yōu)化后結構仿真分析結果

4 實物樣機制作及測試

根據(jù)優(yōu)化后的產(chǎn)品結構進行實物樣機制作，得到實物樣機如圖6所示。基于圖中所示的樣機進行功能驗證，結果表明：樣機能夠輔助操作者輕松完成上下床和上廁所等動作，符合功能設計要求。

根據(jù)合作企業(yè)關于實物樣機的測試要求，對實物進行力學性能測試。靜態(tài)載荷測試時，將樣機調(diào)整到初始位置，關閉電源，在坐板上方施加100 kg 的靜態(tài)測試用重物，如圖7（a）所示。靜置5 min 后取下重物，觀察結構沒有發(fā)生塑性變形，接通電源后樣機能夠正常工作，沒有異響或卡頓等現(xiàn)象。沖擊測試時，將樣機調(diào)整到初始位置，并放置在簡易沖擊測試平臺下，關閉電源，在距離坐板上方250 mm 處懸置截面直徑約為220 mm 的25 kg沙袋，如圖7（b）所示。開始測試后，按下控制按鈕，測試平臺的電磁鐵斷電，此時松開沙袋使其做自由落體運動沖擊在坐板上，完成測試后取下沙袋，觀察發(fā)現(xiàn)結構沒有發(fā)生塑性變形，接通電源后樣機能夠正常工作，沒有異響或卡頓等現(xiàn)象。實物樣機的測試結果驗證了仿真分析和優(yōu)化設計的有效性，表明結構能夠滿足產(chǎn)品設計要求，具有可靠的強度和剛度。

圖7 樣機力學性能測試

5 結束語

本文針對老年人獨自起居生活不便的問題，結合老年人上下床和上廁所的實際需要，設計了一款老年人起居椅。基于人機工程學尺寸參數(shù)，運用三維設計軟件建立起居椅的三維模型，并依據(jù)實物樣機測試的要求對結構進行靜態(tài)結構仿真分析和瞬態(tài)沖擊仿真分析，針對結構的不足對結構進行優(yōu)化設計，優(yōu)化設計后的結構強度和剛度滿足實物測試的要求。進行實物樣機制作和測試，得到了滿意的結果，從客觀上驗證了仿真分析的有效性，這也為本設計作品其它結構的設計分析提供了參考。