压力传感器作用下的输液管变形以及应力松弛

黄汉东

(广州市便携医疗科技有限公司,广东 广州511300)

1 概述

输液泵是一种医疗设备，用于以受控方式将液体输送到患者体内。有多种不同类型的输液泵，可用于各种目的和各种环境。为了确保输液过程安全，输液泵内有压力传感器[1-3]。当输液管压力大于某一阈值时，输液泵就会发出发生阻塞的警报，同时自动停止输液。压力传感器通过夹紧输液管来感应器内部液体的压力[4-6]。输液管上的应力松弛是影响压力传感器的一个重要因素。大部分输液管的材料为软PVC,是一种常见的廉价的高分子聚合物。和其它高分子聚合物类似，软PVC 具有较为明显的应力松弛特性。其内部的应力会随时间增加而逐渐衰减,作用于压力传感器避免上的接触压力也会随之衰减,而压力传感器则无法识别这种压力衰减是来源于输液管的应力松弛还是输液管内部液体压力的降低[7-9]。这导致压力传感器的读数无法正确反应输液管内液体的压力。为了提高压力传感器的精度，技术人员希望由输液管应力松弛产生的压力变化值尽量小[10-11]。

有限元分析软件可以模拟由粘弹性材料组成的结构，因此可以利用这些有限元分析软件计算和模拟应力松弛过程。本文采用有限元分析方法研究了压力传感器作用下输液管应力松弛的情况。

2 有限元分析过程

有限元分析过程包括几何模型的建立、网格划分、边界条件定义、材料模型设置、求解以及后处理过程。

2.1 几何模型

为了使计算机软件能够顺利进行分析计算，几何模型通常是对实物的简化，同时考虑到让分析结果能尽量接近实际情况，简化后的几何模型的主要尺寸与实物是一致的，并能够体现主要的力的大小和作用位置。图1 为本文建立的用于分析输液管应力松弛现象的几何模型。

2.2 网格设置

设置网格边长为0.04mm,四边形网格，进行自动网格划分。网格划分结果见图2。左右两边的垂直线代表压力传感器壁面。

2.3 边界条件

图1 输液管在压力传感器作用下简化的几何模型

图2 压力传感器壁面和输液管的网格划分

左侧垂直线各方向的自由度设为0，右垂直线设置为在1 秒内匀速向左移动2mm。1 秒后停止移动，在接下来的9999 秒内将计算由管变形产生的管壁上的应力分布以及在传感器壁面产生的接触压力。

2.4 材料模型设置

本文采用在高分子聚合物分析领域比较常用的Mooney-Rivlin 模型，将输液管所采用的软PVC 材料试验结果输入到Mooney-Rivlin 模型里，得到图3 所示的材料参数曲线。

图3 输液管所采用的软PVC 材料参数曲线

2.5 求解器设置

激活大变形静态分析。分析时间为0～10000 秒。通过分析过程，计算出压力传感器壁面上的接触压力以及管壁上的应力分布变化。

2.6 分析结果

图4 为输液管管壁上的应变分布，箭头所指的四个角位置的应变强度比较低。应变分布与应力分布具有相同的特征。

图4 管壁上的应变分布

图5 为输液管上不同的位置应力随时间变化情况。在10000 秒时，各点的应力较第1 秒末的应力大幅降低。

图5

图6 为输液管作用在压力传感器壁面上的力随时间变化的情况。由该图可知，输液管在压力传感器壁上产生接触压力合力在10000 秒后减小到小于初始值的四分之一。

图6 输液管作用在压力传感器壁面上的力随时间的变化

3 结论及展望

随着时间的增加，输液管作用在压力传感器壁面上的接触压力会不断衰减，在10000 秒后减小到小于初始值的四分之一，这使得压力传感器很难获得输液管中液体的压力。在压力传感器壁面的不同位置，其所受到的接触压力不同。因此，更好地设计传感器壁的形状将有助于减少输液管中液体压力的误差。