基于CROE的助老机械装置的有限元分析及优化设计.pdf

:./.基于 的助老机械装置的有限元分析及优化设计任 昭(陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院陕西 西安)摘 要:为了解决老年人由于膝关节老化而难以起身站立的问题该文基于机械连杆原理、利用 软件完成了一种新型助老机械装置的三维模型设计并对该机械装置的水平状态和起升状态进行有限元分析 针对该装置中起升板的最大变形不满足工作要求的问题该文以起升板的厚度和侧孔深度为变量探究其最大应力和最大位移的关系曲线最后以装置质量最小为优化目标获得最大变形小于等于.的设计参数 以此设计出符合老年人需求的新型助老机械装置关键词:有限元分析优化设计虚拟样机中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言国家统计数据显示 年末全国 周岁及以上人口突破 亿占总人口的.同时发现跌倒成为我国 岁老年人伤害死亡的主要原因 老年人跌倒的情况时有发生尤其在卫生间跌倒的情况更甚其主要原因是如厕后突然起身导致双腿无法承受身体的重量而摔倒 如今国内外有很多学者已经研究了相关的辅助站立器械市面上也有一些产品但其价格昂贵不能在县城、乡镇中进行普及 因此笔者针对上述情况提出一种基于.的新型自动化机械起升装置设计利用虚拟样机技术分析该装置的特殊受力情况减小图解法设计的连杆机构所产生的受力和变形从而缓解老年人在如厕后下肢的压力 结构设计.设计要求根据起升装置的实际使用条件确定基本的设计要求有:遵循人体工学装置的运动时间不少于 起升板的安全速度不大于./工作状态结构的最大变形不超过.保证整体的结构强度和刚度整体框架采用铝合金型材连杆厚度为 起升板厚度为 均采用 钢材料以遥控式电动推杆为原动件当推杆伸长到极限位置时将驱动四连杆机构带动起升板完成起升动作此时起升板与水平面成.核心机构确定根据设计要求最终确定该装置的起升机构采用“型”连杆机构 经计算机构整体自由度 符合机构运动原理 为使该机构可以正常完成收缩状态与起升状态在.中根据对核心连杆机构进行建模如图 所示图 核心起升机构模型机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发收稿日期:基金项目:陕西国防工业职业技术学院 年度科研项目:助老起升装置动力学仿真及优化设计(编号:)作者简介:任 昭()男陕西榆林人讲师硕士研究生研究方向:机械设计/虚拟仿真.起升装置装配体尺寸确定根据装置的使用环境及人体标准工位尺寸确定该装置的主体框架结构和核心机构的尺寸水平工作状态和起升工作状态的三维模型如图 所示 经过对两种工作状态样机的装配该结构基本能达到设定功能最大起升角度 图 助老起升装置三维模型.铝合金框架.四连杆机构.起升板.电动推杆 静态分析为获得装置在工作时受到人体重力作用下的力学状态利用.中的结构有限元分析模块对两种状态下的装置进行静态有限元分析 为方便计算分析省去机械装置中用于连接的直角连接件、螺母等进入 模块.材料参数设置从节约成本、方便制造的角度出发选定主体框架材料为 合金型材起升板和连杆材料为普通 钢具体力学参数如表 所列表 材料力学参数参 数数 值 合金 钢泊松比.弹性模量/.屈服强度/密度/(/).设定连接方式铝合金框架受力分散采用界面连接功能将铝合金组件装配为一体 连杆和铝合金框架之间通过 个 型螺母以销钉方式连接连杆与连杆、起升板之间以紧固件方式连接.施加载荷和约束装置自身主要受到向下的重力起升板受到人的重力故向起升板施加垂直向下 的力 将 杆、杆、杆与 型螺栓连接的孔设定为销钉约束对装置底部施加固定约束.结果分析根据第四强度理论分析结构的最大应力及最大变形 静态分析结果如图、所示图 水平工作状态静态分析结果图 起升工作状态静态分析结果 由图、可知:在水平工作状态下所受的最大等效应力为.发生在起升板与 连杆的孔连接处最大位移为.发生在起升板中部在起升工作状态下最大等效应力为.发生在电动推杆与起升板的孔连接处最大位移为.发生在起升板中部 考虑到安全系数经分析不同状态下的最大等效应力均小于材料的屈服强度符合要求但是起升板的变形较大需进行优化 灵敏度分析考虑到最大应力和最大位移分别发生在起升板的侧孔连接处和中部区域所以将起升板的厚度 和前侧孔深度 作为变量进行分析如图 所示图 起升板参数化模型 其变化范围如表 所列基于多目标参数分析展开对装置在水平工作状态下应力和位移的探究表 起升板参数变量范围/变量名称当前值起始值终止值设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 利用软件默认的优化算法不断重复 环收敛开展全局灵敏度分析起升板的厚度 和后侧孔深度 关于最大应力和最大位移的灵敏度曲线图如图 所示 结果显示:随着起升板厚度 和后侧孔深度 的增加最大应力和最大位移逐渐减小当起升板厚度为 时前侧孔深度为 时最大应力降为 最大位移减少为.图 全局灵敏度分析结果 优化设计由灵敏度分析结果知板厚度 和后侧孔深度增大到最大值其最大变形仍然大于.故需进行进一步的优化设计以装置总质量 最小为优化目标以装置在水平工作状态时的最大变形.为优化设计目标设计变量为起升板的厚度、后侧孔深度、前侧孔深度 其变化范围如表 所列表 优化分析变量范围/变量名称当前值最小值最大值模型经过 次优化迭代后结果显示当起升板厚度为 .后侧孔深度 .、前侧孔深度 时装置最大变形为.质量减少.满足优化设计目标而后对优化后的起升状态模型进行静态分析其结果如图 所示图 优化后的起升状态模型静态分析结果 结果显示:优化后的起升状态模型最大等效应力为.最大变形为.根据强度公式/对优化后的最大应力进行校核当安全系数为.时安全裕度 在 之间符合强度需求最大变形均小于.符合工作要求 结 论在.中建立三维模型基于有限元技术对装置进行静态分析、灵敏度分析及优化设计创新设计一种用于老年人如厕时的自动化辅助机械装置并得到了以下结论()对装置的两种状态分别进行有限元静态分析获得其最大等效应力和最大变形数值和位置()以关键参数为变量进行敏感度分析得到关于最大等效应力和变形的关系曲线()以质量最小为优化目标关键参数为变量获取符合最大变形要求的起升板厚度、侧孔深度()基于.的/一体化设计方法对老年人如厕的自动化辅助机械装置的整体设计及同类机械装置的设计有一定参考意义参考文献:杨斯怡.老年人跌倒的危险因素分析:基于东风同济队列的横断面研究.武汉:华中科技大学.刘大庆李 伟邱群先.基于虚拟样机技术的某型摆臂机构研究.计算机仿真():.徐世祥.舱段柔性对接系统的动台结构设计与分析.西安:西安电子科技大学.雷中贵傅珈豫周 闯等.老年人辅助站立椅运动安全性研究.软件():.江世红.一种多功能下肢康复机器人的设计与研究.合肥:合肥工业大学.魏 元王晓毅亓 婷等.基于有限元的单机耐压结构优化设计.强度与环境():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发