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外文資料翻譯 1 護理床動力學優(yōu)化 5 1 引言 動 力 學 是 理 論 力 學 的 一 個 分 支 學 科 它 主 要 研 究 作 用 于 物 體 的 力 與 物 體 運 動 的 關(guān) 系 動 力 學 的 研 究 對 象 是 運 動 速 度 遠 小 于 光 速 的 宏 觀 物 體 動 力 學 是 物 理 學 和 天 文 學 的 基 礎(chǔ) 也 是 許 多 工 程 學 科 的 基 礎(chǔ) 動力學以牛頓第二定律為核心 這個定律指出了力 加速度 質(zhì)量三者間 的關(guān)系 牛頓首先引入了質(zhì)量的概念 而把它和物體的重力區(qū)分開來 說明物 體的重力只是地球?qū)ξ矬w的引力 多功能醫(yī)用護理床的運動學分析是基于 ADAMS 建立于在運動學分析的基 礎(chǔ)之上的 根據(jù)先前的運動學分析 以運動學分析結(jié)果作為動力學分析的初始 值 綜合考慮線性推桿的推 拉力的限制以及機架各支點的受力狀況 主要對 線性推桿的受力狀況及各床架支點的受力狀況進行動力學分析 5 2 側(cè)翻機構(gòu)動力學分析 5 2 1 為機構(gòu)添加外力 側(cè)翻機構(gòu)在運行的過程中 會有以下幾個方面對機構(gòu)運動產(chǎn)生影響 它們 是機構(gòu)自身質(zhì)量 患者體重以及各個運動副之間的摩擦力 由于摩擦力很小 在此忽略不計 只考慮機構(gòu)的重量及患者的體重 通過 solidworks 軟件對虛擬樣機進行質(zhì)量測量 測得背板質(zhì)量為 20kg 通 過設(shè)計手冊查得我國身高 1 85m 的成年人平均體重為 83kg 左右 為了真實的模 擬虛擬樣機的性能 本文采用背板質(zhì)量為 20kg 人體背部重量為 50kg 對機構(gòu) 添加力之后 運行一次動力學仿真 測量各個點的受力以及電機的受力 仿真 時間為 25s 步數(shù)為 500 步 添加力測量 測得的各點受力曲線如圖 5 1 所示 圖 5 1 各點受力曲線 外文資料翻譯 2 5 2 MARKER 5 點優(yōu)化前后受力曲線 5 3 MARKER 1 點優(yōu)化前后受力曲線 5 4 MARKER 21 點優(yōu)化前后受力曲線 5 5 各參數(shù)下的翻轉(zhuǎn)角度值 5 2 2 側(cè)翻機構(gòu)動力學優(yōu)化仿真 從圖 5 1 中 得知 MAKER 5 點的受力最大 機構(gòu)的受力優(yōu)化就從 MARKER 5 著入 首先 測試各個設(shè)計變量對 MARKER 5 的受力變化的敏感 度 運行一次動力學仿真 時間為 25s 步數(shù)為 500 步 線性推桿移動速度為 5 5mm s 背板質(zhì)心處加力 500N 背板自重 20kg 運行優(yōu)化設(shè)計 優(yōu)化的目標 為將 MARLKER 5 點的受力的最大值進行最小化 仿真后優(yōu)化數(shù)據(jù)如下 Model Name model 1 Date Run 2009 04 14 17 13 51 Objectives O1 Maximum 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 94 從圖 5 2 至 5 4 中 可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過動力學優(yōu)化之后 各支點受力均有明顯的改 善 其中圖 5 2 中 MARKER 5 點受力從 1443N 減至 1133N 從圖 5 5 中 背 板的轉(zhuǎn)動角度在角度約束的范圍之內(nèi) 外文資料翻譯 3 5 2 3 樣機的實際結(jié)構(gòu) 通過以上的分析 在實際設(shè)計中 各關(guān)鍵點的坐標取值為如表 5 1 所示 表 5 1 各關(guān)鍵點實際取值 DV L1 mm DV L2 mm DV L4 mm DV L7 mm DV L8 mm 初始值 250 245 330 400 370 優(yōu)化值 265 215 346 1 390 28 359 94 此時 樣機的背板轉(zhuǎn)動角加速度最小且各支點的受力也達到了最小化 滿足了 機構(gòu)的設(shè)計要求 動力學優(yōu)化前后機構(gòu)構(gòu)件尺寸表如表 5 2 所示 表 5 2 優(yōu)化前后桿件尺寸對比 A B 水平距離 mm A B 豎直距離 mm BD mm 初始值 50 65 98 4 優(yōu)化值 35 19 118 5 3 抬背機構(gòu)動力學分析 5 3 1 為機構(gòu)添加力 為了較為真實的模擬人體的質(zhì)量 以及考慮背板的推 拉力的限制 在抬 背機構(gòu)的背部添加豎直向下的均布力 大小為 400N 在臀部床板添加 400N 的 力 運行一次動力學優(yōu)化仿真 5 3 2 抬背機構(gòu)動力學優(yōu)化仿真 為了進一步研究線性推桿的受力狀況 以及機架上各支點的受力狀況 使 得機構(gòu)工作得更安全及更可靠 以抬背機構(gòu)運動學優(yōu)化數(shù)據(jù)為動力學優(yōu)化的初 始數(shù)據(jù) 優(yōu)化目標函數(shù)為抬背過程中線性推桿受力的最大值最小化 進行動力 學優(yōu)化仿真 已得到滿足機構(gòu)設(shè)計要求的最優(yōu)化參數(shù) 通過設(shè)計研究對各個設(shè) 計變量進行敏感度測試 根據(jù)設(shè)計研究對各設(shè)計變量的測試 得到的數(shù)據(jù)報表 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 6838 Trial O1 DV 2 Sensitivity 1 1913 3 18 000 0 0037970 2 1913 3 27 000 0 0031447 外文資料翻譯 4 3 1913 4 36 000 11 532 4 2120 9 45 000 0 0029932 5 1913 5 54 000 23 048 Trial 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 39627 Trial O1 DV 4 Sensitivity 1 1912 8 50 800 0 079290 2 1913 3 57 150 0 044021 3 1913 4 63 500 0 042952 4 1913 9 69 850 0 069998 5 1914 3 76 200 0 062845 Trial 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 9926 Trial O1 DV 6 Sensitivity 1 2163 3 111 15 40 476 2 1913 4 117 32 20 238 3 1913 4 123 50 15 895 4 2109 7 129 68 0 0067767 5 1913 5 135 85 31 777 Trial 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 12 779 Trial O1 DV 8 Sensitivity 1 2163 3 111 15 40 476 外文資料翻譯 5 2 1913 4 117 32 20 238 3 1913 4 123 50 15 895 4 2109 7 129 68 0 0067767 5 1913 5 135 85 31 777 通過設(shè)計研究 觀察計算結(jié)果 可以發(fā)現(xiàn)實際變量 DV 3 DV 4 DV 6 DV 8 的敏感度最大 所以在優(yōu)化設(shè)計的時候著重考慮 上述幾個設(shè)計變量 對它們進行優(yōu)化設(shè)計 以期望得到滿足設(shè)計要求的機構(gòu)最 優(yōu)化參數(shù) 5 3 3 樣機的實際結(jié)構(gòu) 通過以上的分析 在實際設(shè)計中 各關(guān)鍵點的坐標取值為如表 5 3 所示 表 5 3 各關(guān)鍵點實際取值 DV 2 mm DV 5 mm DV 6 mm DV 8 mm 初始值 390 458 330 275 優(yōu)化值 381 452 603 32317 278 8 優(yōu)化前后桿件尺寸變化如表 5 4 所示 表 5 4 優(yōu)化前后桿件尺寸變化表 A C 豎直距 離 mm BC mm CD mm DE mm 初始值 60 236 256 667 優(yōu)化值 62 228 248 659 圖 5 6 抬背機構(gòu)動力學優(yōu)化前后電機受力曲線 觀察圖 5 6 可以得知在機構(gòu)動力學仿真之后 機構(gòu)表現(xiàn)出了良好的動力學 性能 機構(gòu)的受力狀況得到了有效的改善 達到了預(yù)期的效果 即電機受力的 最大值最小化 5 4 曲腿機構(gòu)動力學分析 為了真實的模擬曲腿機構(gòu)在運行過程中的受力性能 以及線性推桿的受力 外文資料翻譯 6 狀況 所以對曲腿機構(gòu)在運動學仿真的基礎(chǔ)之上進行一次動力學仿真 為了得 到較為真實的機構(gòu)運行狀況 并進行優(yōu)化仿真 得到理想機構(gòu)設(shè)計參數(shù) 5 4 1 為機構(gòu)添加外力 綜合考慮人體的自身重量以及床板的重量 在小腿板的質(zhì)心處及腳板的質(zhì) 心處各添加豎直向下的力 大小為 500N 5 4 2 曲腿機構(gòu)動力學仿真 以運動學優(yōu)化的數(shù)據(jù)作為動力學優(yōu)化的初始數(shù)據(jù) 進行動力學優(yōu)化 優(yōu)化 的目標函數(shù)為電機受力最大值的最小化 首先 對各個設(shè)計變量進行設(shè)計研究 設(shè)計研究的報表如下 Trial O1 DV 1 Sensitivity 1 4229 0 270 00 10 633 2 4548 0 300 00 10 659 3 4868 5 330 00 10 686 Trial O1 DV 2 Sensitivity 1 4435 8 56 700 17 645 2 4519 2 61 425 18 141 3 4607 2 66 150 18 637 Trial O1 DV 3 Sensitivity 1 4833 0 156 75 32 756 2 4427 7 169 12 28 017 3 4139 6 181 50 23 278 Trial O1 DV 4 Sensitivity 1 3850 1 243 00 25 573 2 4367 9 263 25 26 353 3 4917 4 283 50 27 134 Trial O1 DV 5 Sensitivity 1 4792 4 81 498 55 604 2 4434 7 87 932 51 809 3 4125 8 94 366 48 013 Trial 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 根據(jù)上述的設(shè)計研究的結(jié)果對 外文資料翻譯 7 DV 1 DV 2 DV 3 DV 4 DV 5 DV 7 DV 9 七變量 作為優(yōu)化設(shè)計時 的設(shè)計變量 進行動力學優(yōu)化仿真 圖 5 7 曲腿機構(gòu)動力學優(yōu)化前后電機受力曲線圖 觀察圖 5 7 可以得知 經(jīng)過動力學優(yōu)化后的電機受力的最大值由原來的 4550N 減小為優(yōu)化后的 2850N 電機的受力大大的減小 從而保證了機構(gòu)運行 的安全性及運行的穩(wěn)定性 5 4 3 樣機的實際結(jié)構(gòu) 通過以上的分析 在優(yōu)化設(shè)計時選取上述設(shè)計變量作為優(yōu)化設(shè)計時的設(shè)計變 量 進行動力學優(yōu)化 經(jīng)過動力學優(yōu)化之后 各關(guān)鍵點的坐標取值為如表 5 5 所示 表 5 5 各關(guān)鍵點實際取值 DV 1 mm DV 2 mm DV 3 mm DV 4 mm DV 5 mm 初始值 300 63 165 270 85 788 優(yōu)化值 270 56 7 181 5 243 94 36 此時 樣機的線性推桿的受力最小且各支點的受力也達到了最小化 滿足 了機構(gòu)的設(shè)計要求 優(yōu)化前后機構(gòu)桿件尺寸變化見表 5 6 表 5 6 優(yōu)化前后構(gòu)件尺寸變化表 AB mm BC mm CD mm DE mm BE mm 初始值 380 144 6 85 207 5 185 6 優(yōu)化值 350 136 7 83 6 209 35 192 8 5 5 本章小結(jié) 本章在運動學分析的基礎(chǔ)之上的 利用運動學分析的數(shù)據(jù)作為動力學分析 的初始數(shù)據(jù) 對機構(gòu)進行動力學分析 在滿足機構(gòu)運動學要求的基礎(chǔ)上改善機 構(gòu)的動力學性能及機架的受力性能 使得樣機的運動性能及受力性能達到最好 滿足人體工學以及機構(gòu)在工作過程中的穩(wěn)定性及安全性 本章是進行樣機物理 設(shè)計的依據(jù) 外文資料翻譯 8 6 護理床的力學分析 6 1 引言 多功能醫(yī)用護理床在滿足運動學及動力學性能要求的基礎(chǔ)上 需要對其中 的一些主要零件進行強度校核 以便在設(shè)計的時候合理的選材 在保證多功能 醫(yī)用護理床安全性和穩(wěn)定型以及盡可能的降低生產(chǎn)成本 6 2 力學計算 護理床各主要部件及連桿材料均選用 Q235A 鋼 6 2 1 床底架桿校核 考慮到由于多功能醫(yī)用護理床內(nèi)的機構(gòu)角度 不可避免的會使床的質(zhì)量增 加 由于整床的重量將全部壓在床底架長桿上 所以底架長桿將會是受力最大 的桿件 根據(jù)設(shè)計尺寸 底架長桿的長度為 1440mm 床底架長桿上有兩個支 撐點 假設(shè)床身的質(zhì)量為 400kg 人體的質(zhì)量為 150kg 總重為 550kg 具體計 算如下所示 圖 6 1 床底架受力示意圖 根據(jù) solidworks 的稱重功能 測得床的質(zhì)量為 365kg 假設(shè)床身的質(zhì)量為 400kg 人體的質(zhì)量為 150kg 總重為 550kg 所以 F2 F3 2750N 1440mm 1020mm 70mm ADlBClCDl 根據(jù)力矩平衡公式 F1 F2 F3 ADlBlCl 得 F1 2215 3N27501927504 F1 F4 F2 F3F 外文資料翻譯 9 得 F4 3284 7N 通過上述已知條件 計算桿各段所受的剪力及彎矩 以 A 為原點 在 AB 端內(nèi) 剪力 F F1 2215 3N 方向向下 彎矩 M F1 x 得 M 0 775 355N M 方向為逆時針方向 在 BC 段內(nèi) 剪力 F F2 F1 534 7N 方向向上 彎矩 M F1 x F2 x 0 35 得 M 229 9 775 355N M 方向為逆時針方 向 在 CD 段內(nèi) 剪力 F F4 3284 7N 方向向上 彎矩 M F4 x 得 M 0 229 9N M 方向為逆時針方向 所以 根據(jù)計算分析 得出的結(jié)果為 B 點的受力最大且彎矩也最大 所以 B 點所在在截面為危險截面 計算后的剪力圖及彎矩圖如圖 6 2 所示 圖 6 2 床底架剪力及彎矩圖 根據(jù)剪力及彎矩圖說明了床底架桿在整體上的受力并沒有發(fā)生突變 同時 也不存在在某段的力值特別大的現(xiàn)象 所以從整體上而言 床框架的力學性能 良好 受力情況滿足了機構(gòu)的設(shè)計要求 6 2 2 抬背桿校核 多功能醫(yī)用護理床在抬背的時候 其抬背擺桿將是受力較大的桿件 由于 人的背部質(zhì)量較大 所以其將會時比較危險的桿件 對其的力學計算如下 外文資料翻譯 10 圖 6 3 抬背桿受力示意圖 按照人體的質(zhì)量及床板的質(zhì)量均分 則圓整后的數(shù)據(jù)為 F1 500N 方向向 上 F3x 950N F3y 2039N 830mm 680mm 54mm AClABlBDl F2x F3x 950N F2y F1 F3y 500 2039 2539N 在 AB 段 剪力 F F1 500N 方向向上 彎矩 M F x 得 M 0 340N M 方向為順時針方向 在 BC 段 剪力 F F3y 2039N 方向向下 彎矩 M F2y x 0 68 F1 x 0 68 x 0 734 得 M 229 9 340N M 方向逆時針方向 M F2y x 0 68 F2x F1 x 0 734 x 0 83 0 734 得 M 18 5 229 9 N M 方向逆時針方向 所以 根據(jù)上述計算結(jié)果 得知 B 點的剪力最大且所受的彎矩也是最大 綜上所述 B 點所在的截面為危險截面 根據(jù)計算結(jié)果畫出的剪力圖及彎矩圖 如圖 6 4 所示