基于ANSYS Workbench医疗床结构分析及优化设计

摘要  机械臂式医疗床是能够在计算机控制下完成作业的医疗设备，通过ANSYS软件对医疗床机器人进行静力分析，验证医疗床在极限工作状态下结构设计的合理性。经过相关分析可知医疗床满足刚度和强度的技术要求，有必要再利用有限元软件对其进行优化处理，分别研究优化数学模型，确定合理的设计变量、约束条件和目标函数，对医疗床结构进行有限元分析、结构分析和灵敏度分析。优化是以减轻医疗床上臂的质量为优化目的，利用ANSYS有限元软件的Screening（筛选法）对数学模型进行尺寸优化，选出最优解并更新模型重新计算，同时对比优化前后的结果，上臂的质量减少了44.05kg，优化比为26.3%。

关键词 ANSYS;医疗床;结构分析;优化设计

1.仿真结果及分析

对医疗床划分网格、设置材料和约束边界条件后，进行静力学仿真分析求解，得出应力云图和位移云图结果如图1-1到1-2所示。

通过以上应力和变形云图可知，受到应力最大的部位是在上臂与连接板之间的旋转轴上，最大应力为20.65MPa，该旋转轴使用的材料是45#钢，屈服强度为355MPa，经过验算旋转轴在极限位置时所受到的最大应力远远小于该材料的许应应力，符合强度要求。而医疗床最大的变形位置是碳纤维床板端面处，Z方向约为0.309mm，也是符合设计指标床面加载位置变化小于0.5mm的技术要求。通过此次仿真结果反映出医疗床还有很大的优化空间，在达到技术要求的同时，可以选择减轻机器部件的重量，达到节约材料和降低生产成本的效果。

2.医疗床上臂的尺寸优化

对于医疗床结构优化部分选择上臂为优化对象，即是由侧板和顶板焊接的一个悬臂，由于肿瘤患者在治疗过程中，医疗床上臂始终处以悬臂的状态，对整个医疗床来说是一个最重要的部件，为了让整个悬臂在满足设计要求的情况下减轻质量达到减少整体模型重量和减少制造成本目的，结合对医疗床结构的具体分析，本课题采取对医疗床上臂进行尺寸优化，即对上臂的关键尺寸优化求得最优解。

3.设计变量和确定优化参数

建立好医疗床的有限元模型，需要选择上臂零部件的几何参数为设计变量，上臂的组成由顶板和侧板，根据机构的空间布局的特点，结构设计要求上臂的长度的尺寸大小不能发生改变，为了在满足变形的条件下减轻上臂的质量，很明显这里可以选择顶板和侧板的厚度为变量，顶板厚度设计变量优化范围为3mm-7mm之间，侧板厚度的设计变量优化范围为12mm-20mm之间，选择不同的设计变量直接关系到优化的结果，因此选择设计变量需要符合以下原则[2]：

（1）选取的设计变量必须对目标函数有较大的影响。

（2）选择的部件变量是独立的变量。

（3）设计的变量需要考虑到实际工程中的应。

（4）选择合适的设计变量数目。

根据医疗床上臂结构的特点，上臂的的顶板和侧板的厚度之间关系到上臂总体的重量，因此选择这两块板的厚度作为设计变量。上臂的结构如图5-2所示。

4.灵敏度分析

敏感度的分析可以直观明显的看出设计变量对结果的影响，设置侧板厚度的范围为12mm-20mm，为了减少计算时间提高效率，间隔数值选择4mm。顶板的厚度范围为3mm-7mm，间隔数值为2mm。分别选择好变量的范围后在计算机中自动生成9组不同的设计值，通过计算反复迭代处理上臂的优化模型，得出每组设计变量分别对应的床面最大变形、上臂的质量的具体值，为不同設计参数计算求解的对应的目标函数。

5.确定最优解

由曲线图可知，很明显应当选择3mm厚的顶板和12mm的侧板，这组设计变量在保证床面变形量能符合技术要求的前提下可以大量的减轻两种钢板的厚度，达到减轻医疗床整体重量、减少制造材料、减少浪费的目的，重新选择好一组参数，然后带入模型重新更新计算，并重新对医疗床进行静力分析。

6.静力学分析结果及验证

将上臂参数化优化后.的模型导入ANSYS Workbench后重新进行静力分析，步骤和前面的静力分析一致，这里不再详述。其床面的变形云图和应力应图如下图6-1所示。

根据优化前后的静力学分析，对比优化前后的应力和变形的变化情况，结果如下表6-1所示。

参考文献：

[1]李喆.机械设计的有限元分析及结构优化[J].机电工程技术，2008，37（7）：128-130.

[2]陈立周.机械优化设计方法[M].北京：冶金工业出版社，2005：3.

作者简介：王焕平（1992.12），女 汉族 江西赣州人 学历：硕士 职称：无，从事特种设备检验检测工作。