任 昭

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院,陜西 西安 710300)

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),截至2021年底,我國(guó)60歲以上老人占全國(guó)人口的比例達(dá)18.7%,在衛(wèi)生間摔倒的老年人占摔倒人數(shù)的比例為11%[1]。摔倒的主要原因是如廁后突然站起,雙腿無(wú)法承受身體的質(zhì)量。目前,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已經(jīng)有一些助老產(chǎn)品,但價(jià)格過(guò)于昂貴,且使用效果不佳。針對(duì)上述情況,本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款性價(jià)比較高的自動(dòng)化助老起升裝置,其核心是利用電動(dòng)推桿帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起升板的起升,從而幫助使用者順利起身。該裝置工作過(guò)程中受力情況較為特殊,故利用有限元分析軟件從靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等角度對(duì)該裝置進(jìn)行受力分析,驗(yàn)證其可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)起升裝置的使用對(duì)象和要求,在設(shè)計(jì)時(shí):1)考慮到一般老年人的體重,最大起升載荷為100 kg,起升板起升的安全速度不大于72.8 mm/s[2],工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的最大變形不超過(guò)0.3 mm,保證裝置的整體剛度;2)遵循人體工學(xué)確定基本框架尺寸,設(shè)定合適的起升角度;3)在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,嚴(yán)格控制成本,整體框架采用鋁合金型材6063-T5,連桿機(jī)構(gòu)采用45鋼,連桿材料厚度為5 mm,起升板厚度為7 mm;4)裝置收縮時(shí)起升板處于水平狀態(tài),板的前端由鋁合金框架支撐?；跈C(jī)械原理設(shè)計(jì)的起升裝置的核心連桿機(jī)構(gòu)如圖1所示,當(dāng)連桿DF帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)完成起升動(dòng)作、起升板與水平面夾角θ為16°～20°時(shí),可保證老年人起身時(shí)保持身體的平衡[3]。

圖1 連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)確定

該裝置的核心機(jī)構(gòu)為F型連桿機(jī)構(gòu),其模型如圖2所示。該F型連桿機(jī)構(gòu)的整體自由度F=3n-2PL-PH=1,其中n為連桿數(shù)目,PL為低副數(shù)目,PH為高副數(shù)目。為保證該機(jī)構(gòu)可以正常收縮與起升,應(yīng)保證其設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤。B點(diǎn)與C點(diǎn)固定于裝置框架上,BC距離一定,為機(jī)架;AF=AF′,DF+40=DF′。如圖2(a)所示,機(jī)構(gòu)處于水平狀態(tài)時(shí),AF平行于BC,AB與豎直方向夾角為60°;如圖2(b)所示,機(jī)構(gòu)處于起升狀態(tài)時(shí),AF′與水平方向夾角為16°。利用傳統(tǒng)的圖解法確定各桿件長(zhǎng)度,圓整后得到各桿件尺寸如下:AB=72 mm,BC=250 mm,CD=88 mm,DE=97 mm,AE=115 mm,EF=EF′=230 mm,DF=145 mm,DF′=185 mm。

圖2 F型連桿機(jī)構(gòu)模型

1.3 起升裝置裝配體尺寸確定

在完成核心機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)后,根據(jù)裝置的使用環(huán)境及人體標(biāo)準(zhǔn)工位尺寸,確定該裝置的其他構(gòu)件及主體框架的尺寸,見(jiàn)表1。

表1 助老起升裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)各部分設(shè)計(jì)尺寸,采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定裝置的主體框架結(jié)構(gòu),在充分滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,確定各構(gòu)件之間的連接類型為螺栓連接,其相關(guān)連接元件的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 連接件參數(shù)

在Croe3.0中按照實(shí)際尺寸1∶1建模,所建立的助老起升裝置三維模型如圖3所示。經(jīng)過(guò)測(cè)量,兩種狀態(tài)下模型的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求,最大起升角度可達(dá)16°,最大可伸縮長(zhǎng)度為40 mm。

1—鋁合金框架;2—連桿機(jī)構(gòu);3—起升板;4—電動(dòng)推桿圖3 助老起升裝置三維實(shí)體模型

2 靜力學(xué)分析

將圖3所示的兩種狀態(tài)下的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析,分析機(jī)構(gòu)工作時(shí)在人體重力作用下的最大應(yīng)力和最大變形。

2.1 材料參數(shù)設(shè)置

模型中的材料種類較多,主體框架為鋁合金型材,材料為鋅鋁合金6063-T5,起升板和連桿材料為普通45鋼,T型螺栓、六角螺栓及螺母材料均為8.8級(jí)的45鋼鍍鋅,具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 材料參數(shù)

2.2 接觸設(shè)置

由于主要受力機(jī)構(gòu)為F型連桿機(jī)構(gòu),因此省略直角連接件,重點(diǎn)考慮螺栓連接的設(shè)定:1)T型螺母與鋁合金型材之間、螺栓桿部與連桿孔之間的接觸類型均為bonded;2)螺母端面或螺栓頭部端面與連桿及電動(dòng)推桿間的接觸類型為Frictional,摩擦系數(shù)為0.15;3)連桿與電動(dòng)推桿、連桿與連桿之間的接觸類型為Frictional,摩擦系數(shù)為0.2;4)起升板、連桿與鋁合金型材之間的接觸類型為Frictionless;5)螺栓預(yù)緊力均為200 N,起升板的最大受力為1 000 N,重力方向向下。

2.3 網(wǎng)格劃分

隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于結(jié)構(gòu)整體尺寸較大,因此需要將鋁合金框架和起升機(jī)構(gòu)分類型劃分。鋁合金框架采用Hex Dominant方法進(jìn)行劃分,外部采用六面體單元,內(nèi)部采用四面體單元,網(wǎng)格基本尺寸為10 mm。起升機(jī)構(gòu)采用自動(dòng)劃分法,連桿采用六面體單元,起升板、螺栓等采用四面體單元,網(wǎng)格基本尺寸為3 mm。水平狀態(tài)下的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為240 062個(gè),單元103 975個(gè);起升狀態(tài)下的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為287 282個(gè),單元120 242個(gè)。劃分好網(wǎng)格的模型如圖4所示。

圖4 兩種狀態(tài)網(wǎng)格劃分模型

根據(jù)第四強(qiáng)度理論,分析結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及最大變形。靜力學(xué)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 靜力學(xué)分析結(jié)果

由圖5可知,在水平狀態(tài)下整個(gè)裝置承受1 000 N的人體重力作用,其最大等效應(yīng)力為62.766 MPa,在AB段連桿處,遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,符合要求;最大位移為0.246 6 mm,在起升板中后端處,可以滿足工作要求。在起升狀態(tài)下最大等效應(yīng)力為84.44 MPa,在電動(dòng)推桿與起升板的連接處,最大位移為0.267 0 mm,在起升板后端中部,均符合工作要求。

3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 建立動(dòng)力學(xué)模型

裝置在起升過(guò)程中受到的人體重力作用不斷變化,為探究整體結(jié)構(gòu)在此過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力情況,利用ANSYS中的基于隱式算法的Transient Structural模塊來(lái)獲得裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力和位移的變化情況。建立瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)基本方程[4]如下:

(1)

電動(dòng)推桿的運(yùn)行速度為10 mm/s,總行程為40 mm,起升板與水平面的夾角在4 s時(shí)可達(dá)到16°,由此確定起升板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的載荷函數(shù)為:

F(t)=1 000 cos(4t)

(2)

3.2 設(shè)定連接狀態(tài)

由于整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)副類型眾多,因此必須詳細(xì)定義其中各部件之間的運(yùn)動(dòng)副類型。具體設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 主要連接狀態(tài)設(shè)置

3.3 結(jié)果分析

對(duì)裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,得到裝置在動(dòng)態(tài)載荷下0—4 s時(shí)的最大應(yīng)力變化及4 s時(shí)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變?cè)茍D,如圖6～圖8所示。

圖6 最大應(yīng)力變化

圖7 等效應(yīng)力云圖

圖8 等效應(yīng)變?cè)茍D

由圖6、7可以看出,在0—0.5 s階段,應(yīng)力變化顯著,最大等效應(yīng)力為198.16 MPa,在CE連桿中部開(kāi)孔處,出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象;在1—2 s階段,壓力變化趨于平緩;2—4 s階段,機(jī)構(gòu)的最大等效應(yīng)力逐漸減小,最終為185.24 MPa?？紤]到安全系數(shù),需要對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行安全評(píng)估[5]。安全裕度MS計(jì)算公式為:

(3)

式中:[ε]為最大等效應(yīng)力,σ為屈服強(qiáng)度,κ為安全系數(shù)。κ為1.3時(shí),計(jì)算得到的安全裕度MS為0.35,滿足強(qiáng)度要求。由圖8可以看出,最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 115 7,在CE桿中部開(kāi)孔處,其變形程度較小,剛度符合要求。

4 剛體動(dòng)力學(xué)分析

利用ANSYS Workbench 中內(nèi)含的剛體動(dòng)力學(xué)模塊Rigid Dynamics對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析,通過(guò)分析機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性。在完成連接、載荷、邊界條件的設(shè)置后,求解機(jī)構(gòu)中起升板的速度、加速度參數(shù),其曲線如圖9、圖10所示。

圖9 起升板速度曲線圖

圖10 起升板加速度曲線圖

由圖9、10可知,當(dāng)電動(dòng)推桿以10 mm/s的速度勻速伸長(zhǎng)時(shí),起升板在連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下作變減速運(yùn)動(dòng),速度由22.173 mm/s遞減為12.561 mm/s,加速度由7.834 70 mm/s2遞減為0.928 96 mm/s2,其速度變化在老年人可接受范圍之內(nèi)[6],說(shuō)明在動(dòng)載荷下整個(gè)機(jī)構(gòu)的沖擊性較小,同時(shí)反映了該連桿機(jī)構(gòu)具備較好的急回特性[7]。

根據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)及分析結(jié)果,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成物理樣機(jī)的制造,如圖11所示。

利用浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合及參數(shù)可視化分析實(shí)訓(xùn)臺(tái)對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,物理樣機(jī)的位移和加速度變化與虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果一致,進(jìn)一步表明該裝置能夠完成預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo),達(dá)到人體工程學(xué)要求的助力起升標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文基于Croe與ANSYS Workbench完成某新型助老機(jī)械裝置的設(shè)計(jì),并對(duì)裝置進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,得到如下結(jié)論:

1)該助老起升機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

2)額定載荷為1 000 N時(shí),水平狀態(tài)下虛擬樣機(jī)的最大應(yīng)力和最大位移符合工作要求。

3)額定載荷為1 000 N時(shí),起升狀態(tài)下虛擬樣機(jī)的最大應(yīng)力和最大位移符合工作要求。

4)虛擬樣機(jī)工作過(guò)程中,在變化的載荷下,最大等效應(yīng)力、應(yīng)力變化值以及最大等效應(yīng)變均符合工作要求。

5)經(jīng)試驗(yàn),物理樣機(jī)在起升過(guò)程中承受動(dòng)載荷情況下整個(gè)機(jī)構(gòu)的沖擊性較低,速度變化在可接受范圍之內(nèi),能滿足實(shí)際工況需求。