医疗器械座椅最新结构设计及其分析

1　问题说明

通过对轻量化产品座椅模型进行有限元仿真分析，确定其系统整体结构强度是否满足要求，产品的结构示意图如下图1所示：

图1 产品结构示意图

  根据客户输入，脚踏位移受力情况如图2所述：

图2 产品受力示意图

下表1是脚踏组件的计算工况列表：

表1  脚踏有限元分析工况

2　问题描述

2.1　基本假设

n 本分析是纯静态条件下的强度分析。

n 铝合金和碳纤维板相连面绑定处理。

n 尽量保留模型中的几何细节特征，如倒角、圆孔之类，以保证计算结果的准确性。

2.2　几何模型的建立

为方便计算，将床体到轨件进行简化，但保证了导轨与脚踏板接口尺寸的准确性。建立的FEA几何模型如图3所示。

图3 A  计算几何模型

2.3　载荷条件

Footboard有限元分析计算的载荷工况条件，按照如下要求进行。根据此工况即可计算出该脚踏板强度及应力分布状况。

n 各个零部件组装完毕后，达到图4所示状态；

n 病床导轨竖直放置时，对脚踏板面施加10kN均布载荷，并分析各个零部件应力情况；

n 病床导轨水平-20°放置，对脚踏板某一夹紧孔施加3.3kN载荷，并分析各个零部件应力情况。

图4 载荷工况

3　计算模型及计算数据

3.1　单位系统

本有限元分析运用的软件为Hypermesh11.0和Abaqus6.10。 本文及分析中所采用的单位系统为SI（mm），即mm、N、MPa，此报告中出现的任何数字，如果未特别注明单位，都采用此单位系统。

3.2　有限元网格划分

本分析中，金属材料采用经典的弹性力学模拟其线弹性，碳纤维材料选定T300（该脚踏支撑的网格划分见下图5所示）。

图5 Footboard网格模型

3.3　CF材料参数及力学性能

T300碳纤维参数见表2。

表2  碳纤维材料的FEA计算参数

3.4　金属材料的力学参数

金属材料相应参数见表3。

表3  金属材料的力学特性

4　计算结果

4.1　强度应力分析结果

n 垂向均载10kN,各主要零部件应力云图

图6   Footboard 垂向10kN均载应力云图

图7   Footboard 垂向10kN均载各零部件应力云图

n -20°斜拉3.3kN,计算各主要零部件应力云图：

图8   Footboard -20°施加3.3kN力应力云图

通过汇总，得到Footboard在不同工况下各个部件的应力应变结果，见下表4。

表4  不同工况下主要部件的应力应变结果

5　结论

脚踏板在各个方向受力条件下，各零部件的最大应力均小于材料的屈服极限，满足静强度要求。