基于Ansys Workbench的手动轮椅车提升机构仿真分析①

胡文秀， 刘永旭， 吴豪豪， 殷宝麟

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

近几年，随着中国科技的发展以及国家综合国力提高带来的生活水平和卫生条件的改善，使得我国平均寿命得以延长，老年人口同时也大幅度增加[1]，助老助残装置在残障人士的日常生活中需求量越来越大，因此，对面向普通病床的往复式移位护理装置中的关键机构—手动轮椅车提升机构的研究起着愈来愈重要的作用。

2007年，英国科学家Fumio Kasagami教授研制出“C-Pam”转运机器人，它的出现让医护人员和机器人相结合，整个转换过程是通过上下传送带移动速度的组合和一个护理人员来完成的，提高了工作效率[2]。2010年，松下公司研制了一款Resyone护理床，该护理床灵活的将电动的轮椅床和轮椅组合在了一起，电动轮椅床可以分离为一个躺卧式轮椅,但该轮椅床不能实现基本的体位护理要求，功能单一[3]。2014年，一款轮椅担架一体化服务机器人由桑凌峰等研发人员所研制出来，致力于解决失能人士上下床问题，同时其具备自动折叠、自动升降及宽度自动调节等功能[4]。2018年，“瑞步”床椅一体化服务机器人产品在济南被推出，使得我国轮椅行业得到进一步的发展[5]。

针对移位护理装置的功能单一、安全性、可靠性和便捷性等问题，需要设计一款面向普通病床的往复式移位护理装置，基于手动轮椅车提升机构是整个装置的主要承重机构，因此，以手动轮椅车提升机构为分析对象(如图1)，来验证所设计的面向普通病床的往复式移位护理装置的合理性。

1 手动轮椅车提升机构有限元模型的建立

首先对手动轮椅车提升机构进行三维实体建模，三维建模通常分为二种方式：一是利用Solid Works,Creo等三维建模软件进行建模，将建好的模型保存为*.x_t通用格式再通过软件接口导入ANSYS中；二是利用ANSYS自身具备的建模插件Design Modeler进行建模，但ANSYS自身的建模插件Design Modeler需按照同一个方向进行建模，不能跨越步骤，对复杂结构模型的创建难度很大[6]。因此选择在Creo三维建模软件中对手动轮椅车提升机构进行实体建模，并导入ANSYS Workbench软件中[7-8]。

为了便于对手动轮椅车提升机构进行分析和提高分析的效率，在ANSYS Workbench软件中对手动轮椅车提升机构模型进行了必要的简化处理[9]。手动轮椅车提升机构模型导入ANSYS后的实体模型(如图2)。

2 手动轮椅车提升机构的静力学结构分析

2.1 材料选择和网格划分

NSYS Workbench提供强大的材料数据库Engineering Data，浏览材料数据库类别及明细，选择手动轮椅车提升机构材料均为45 #钢，材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性

网格划分的目的得到最精确的解，通过对粉碎机转子模型离散后的网格节点和单元连接成组合体进行分析[10]。手动轮椅车提升机构实体模型采用自由网格划分，得到99634个节点和33545个单元(如图3)。

2.2 设定边界条件和载荷

为了模拟手动轮椅车提升机构的实际工作情况，则必须如实添加工作工况的约束和载荷才能得出具有实际参考意义的结果。以下板为固定支撑，根据实际工况，在安装板上施加1000N的载荷(如图4)。

2.3 静力学分析结果

静力学分析是指对建立的有限元分析模型用静力学的方法对其进行仿真计算,分析结果表明应力应变主要集中在升降机构，得到在极限工况下的等效应力、等效应变云图(如图5-6)。

由图5和图6可知，升降机构螺栓连接处出现最大极限等效应变和最大极限等效应力，且最大极限等效应变为2.6087MPa，最大极限等效应力为242.6MPa，均符合强度要求。通过分析发现最大等效应力主要是由应力集中造成的，相比于轮椅车的整体尺寸，提升机构的变形量在一个安全的范围，因此符合刚度要求，变形量主要位于升降机构螺栓连接处。提升机构的安全系数为1.3，静力学分析为后期手动轮椅车提升机构优化设计提供了重要依据。

3 多目标优化设计

优化设计的基本思路是通过ANSYS确定手动轮椅车提升机构有限元模型的参数，并合理选择ANSYS提供的优化方法，以使手动轮椅车提升机构模型的一个或多个选定优化的性能达到最大化或最小化的方法来达到优化设计的目的[11]。

在对手动轮椅车提升机构进行多目标优化设计的过程中，在分析模型的选择上仍采用静力分析时使用的简化模型，提升机构作为一个装配体，采用实体单元Solid186来对提升机构模型进行网格划分，网格划分的大小设置为20m。

下板为固定支撑的情况下，根据实际工况，在安装板上施加1000N的载荷，安全系数、最大应力和应变、杆的厚度为参数进行优化设计，以非标连杆1、非标连杆2、安装板的质量为优化目标，并将优化后的模型进行强度和刚度的校核，检验提升机构的强度刚度是否仍满足要求，如表2所示为提升机构的多目标优化结果。

表2 多目标优化结果

在相同工况下的多目标优化后的手动轮椅车提升机构模型应力与应变云图(如图7-8)，该工况下的最大极限变形量为4.6481MPa,最大极限应力为328.72MPa,均小于材料的屈服极限355MPa。手动轮椅车提升机构安全系数提升为1.4，相比于轮椅车的整体尺寸，提升机构的变形量在一个安全的范围，因此符合强度和刚度要求。

4 结 论

本文以手动轮椅车提升机构为研究对象。首先，运用Creo三维制图软件对手动轮椅车提升机构进行模型的绘制；其次，用Ansys Workbench进行了应力与变形分析；最后，基于前述应力与变形分析，以非标连杆1、非标连杆2、安装板为优化目标进行了轻量化设计，分析与优化结果表明，手动轮椅车提升机构在满足强度刚度要求的条件下，质量减轻了18.34%。