基于数值仿真与优化的老年人起居椅结构设计*

张冬冬，周 鑫，卢 煜，苏子超

（浙江机电职业技术学院智能制造学院，杭州 310053）

0 引言

目前，我国正逐渐步入老龄化社会，老年人的数量正在迅速增加。研究表明，老年人独居时常常因为年纪的增大会出现下肢力量衰弱，从而导致上下床不便、如厕困难等问题，甚至很多老年人在上下床时因下肢力量不够，身体失稳而导致意外伤害的发生。现有的各类电动轮椅大多只能辅助老年人出行，单纯起到了交通工具的作用，而不具备辅助老年人居家生活的功能。为了提高老年人独自起居生活的能力，本文从人机工程角度出发，设计了一种老年人起居椅，满足下肢力量逐渐衰弱的老人居家生活时所需要的上下床和上厕所等辅助需求。借鉴企业对相关产品的测试要求，本文对起居椅结构的关键部分做了力学性能分析，基于结构强度和刚度的不足对起居椅的关键结构进行优化设计以提高结构的强度和刚度，制作实物样机并验证其功能特性，根据企业的样机测试要求对实物样机进行了测试，得到了满意的结果。

1 老年人起居椅的结构设计

老年人群体由于下肢力量衰弱，居家生活时往往难以独自完成上下床和上厕所等活动，还容易发生碰撞、摔跤等危险情况。为了更好地提高老年人独自居家生活能力，本文结合人机工程学要求，设计了一种老年人起居椅，其总体结构如图1 所示。起居椅的功能主要在于辅助老年人完成上下床和上厕所等“坐-起”动作。因此，在设计结构时需要充分保证坐板下方的空间，以实现将老年人送至床面或坐便器上方的功能要求。起居椅设计有坐板开合机构，以双输出轴蜗轮蜗杆减速电机为动力源，通过两对锥齿轮的传动实现坐板的旋转开合运动。考虑到老年人下肢力量衰弱而难以独自完成上下动作，同时还设计了以电动推杆为动力的曲柄滑块机构实现辅助拉起和辅助坐下功能，电动推杆伸缩时可以实现把手的摆动，老年人手持把手即可借助机构的运动实现上下的动作。

图1 总体结构模型

使用时，若老年人需要下坐，只需按下遥控器开关，前侧减速电机即开始运转，驱动坐板打开，形成下坐空间，此时电动推杆伸出，驱动把手向下摆动，辅助老年人坐在床上或坐便器上，达到辅助起居的目的。

2 有限元数值模拟分析

本文基于ANSYS WORKBENCH 环境，根据企业的设计和实物样机测试要求进行静态和瞬态结构有限元分析，以模拟结构在静态载荷和冲击载荷作用下的力学性能响应。有限元数值模拟分析的基本理论依据是经典力学理论，其动力学通用方程为[1-2]：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度系数矩阵；x为位移矢量；F为力矢量。

2.1 静态结构分析

线性静态结构分析通常用于计算结构在静态载荷作用下引起的位移、应力和应变等。对于本文所研究的起居椅结构，设计和实物样机测试要求其能够承受G=100 kg 测试载荷的作用而不发生不可逆塑性变形，这一外加测试载荷与时间无关，不考虑惯性影响因素，因此静态结构分析时的位移x可以通过以下简化后的力学方程求解[2-3]。

Kx=F(t)

将简化后的模型以step 格式导入到AW 环境中的Static Structure 模块，首先对模型进行材料设置，本文所设计起居椅主体结构为SUS304不锈钢焊接或螺栓紧固连接结构，坐板及回转支撑销轴采用45 号优质碳钢材料，材料的主要性能参数如表1 所示。完成材料设置后进行有限元仿真前处理，完成接触设置和网格划分以获得有限元模型。在两侧坐板分别施加重力方向上500 N 的测试载荷，并在底部框架连接孔上施加固定约束，运行求解后通过有限元后处理得到仿真结果如图2 所示。由图可知，结构在静态测试载荷作用下，最大等效应力约为352.8 MPa，最大变形量越为26.9 mm，较大应力主要集中在底部框架前端和弧形支撑梁位置，且最大等效应力超过了该处材料的屈服极限205 MPa，所以结构会发生不可逆的塑性变形。

表1 起居椅结构材料及其力学性能参数

图2 静态仿真分析结果

2.2 瞬态结构分析

根据实物样机的冲击测试要求，本文还对结构进行了冲击仿真分析，冲击仿真属于瞬态结构分析范畴，与静态结构分析时不考虑惯性影响因素不同，瞬态结构分析时需要考虑重力加速度等惯性因素的影响。

分析时，在坐板上方设置一材料为Q235的柱形质量块来模拟25 kg的冲击测试载荷，实物冲击测试时要求重物是由250 mm高度处自由落体冲击坐板，从而检验结构的抗冲击能力，为了减少有限元分析时的运算工作量，本文将质量块放置在坐板上方10 mm 位置并施加一定初始速度，以模拟其是由250 mm高度自由落下，根据自由落体运动方程[2,4-5]：

式中：v1为质量块自由落体下落至坐板上方10 mm 时的瞬时速度；g为重力加速度，取9.8 m/s2；h为自由落体的高度，取240 mm。

代入数据计算后，得到v1=2.168 8 m/s。将简化后的模型导入到AW 环境的Transient Structure 模块，进行材料设置和有限元前处理后，施加约束、重力加速度和质量块初始速度等条件，并对时间进行设置。运行求解后得到结构在冲击载荷作用下的力学性能响应，由于冲击过程中结构的瞬态响应比较复杂，所以本文只提取冲击瞬间结构的最大响应云图如图3 所示。由图可知，在冲击测试载荷冲击坐板瞬间，结构的最大等效应力约为184.2 MPa，最大变形量约为3.7 mm，较大应力主要集中在坐板及坐板回转支撑销轴附近，这与坐板的悬伸特性以及回转支撑部分的接触面积较小有关，但最大应力小于材料355 MPa 的屈服极限，因此结构在冲击载荷下不会发生塑性变形，最大变形量也在允许范围之内。

图3 瞬态结构分析结果

3 起居椅结构优化设计

根据有限元仿真分析结果，静态载荷下较大的应力主要集中在底架前侧竖向支撑管以及与其相连的弧形支撑板上，分析产品结构不难看出，这主要是由于工作受载时，坐板上施加的载荷相当于悬伸力，在不干涉传动轴运转以及整个起居椅的前后行走与工作的前提下，优化设计时在两侧扶手下方设置了支撑杆，以提高框架的整体强度与刚度，如图4（a）所示。冲击载荷下两侧坐板和回转支撑销轴同样存在较大的应力集中，优化设计时通过改变坐板结构增加坐板和回转支撑销轴的接触面，如图4（b）所示[6-10]。

图4 起居椅结构优化设计

为了检验优化设计的合理性和有效性，对优化后的模型进行有限元仿真分析，得到优化后结构的静态结构分析和瞬态冲击分析结果，如图5 所示。由图5（a）可知，优化后的结构在静态载荷作用下的最大等效应力约为126.8 MPa，最大变形量约为4.0 mm，最大应力远小于材料的屈服极限，结构不会发生不可逆的塑性变形。由图5（b）可知，优化后的结构在冲击载荷作用下，最大等效应力约为153.2 MPa，最大变形量约为2.5 mm，结构强度和刚度得到进一步的提高，优化后的结构符合产品的设计要求和实物样机测试要求。

图5 优化后结构仿真分析结果

4 实物样机制作及测试

根据优化后的产品结构进行实物样机制作，得到实物样机如图6所示。基于图中所示的样机进行功能验证，结果表明：样机能够辅助操作者轻松完成上下床和上厕所等动作，符合功能设计要求。

根据合作企业关于实物样机的测试要求，对实物进行力学性能测试。静态载荷测试时，将样机调整到初始位置，关闭电源，在坐板上方施加100 kg 的静态测试用重物，如图7（a）所示。静置5 min 后取下重物，观察结构没有发生塑性变形，接通电源后样机能够正常工作，没有异响或卡顿等现象。冲击测试时，将样机调整到初始位置，并放置在简易冲击测试平台下，关闭电源，在距离坐板上方250 mm 处悬置截面直径约为220 mm 的25 kg沙袋，如图7（b）所示。开始测试后，按下控制按钮，测试平台的电磁铁断电，此时松开沙袋使其做自由落体运动冲击在坐板上，完成测试后取下沙袋，观察发现结构没有发生塑性变形，接通电源后样机能够正常工作，没有异响或卡顿等现象。实物样机的测试结果验证了仿真分析和优化设计的有效性，表明结构能够满足产品设计要求，具有可靠的强度和刚度。

图7 样机力学性能测试

5 结束语

本文针对老年人独自起居生活不便的问题，结合老年人上下床和上厕所的实际需要，设计了一款老年人起居椅。基于人机工程学尺寸参数，运用三维设计软件建立起居椅的三维模型，并依据实物样机测试的要求对结构进行静态结构仿真分析和瞬态冲击仿真分析，针对结构的不足对结构进行优化设计，优化设计后的结构强度和刚度满足实物测试的要求。进行实物样机制作和测试，得到了满意的结果，从客观上验证了仿真分析的有效性，这也为本设计作品其它结构的设计分析提供了参考。