基于Ansys workbench 康复训练支架的有限元分析

蒋志

（安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南232000）

1 概述

由于中国经济的高速发展,人们生活水平的提高,私家车以及各种交通工具迅速增加,因交通事故造成的下肢损伤的患者也越来越多,以前的传统康复训练主要是依靠医疗师的工作经验,多数是靠徒手完成康复训练的。但是随着下肢运动功能障碍患者的人数逐年增加,仅仅依靠医疗工作人员帮助下肢损伤的患者进行康复训练,不仅工作强度大,而且训练周期长。并且很多国家都面临着医疗资源设备的短缺,对于康复训练设备的需求也日益增加,因此,设计一款合理的康复训练设备,必然可以提高康复治疗的效率,缩短治疗时间。康复训练设备主要被用来帮助患者实现各种运动功能的康复训练,比如上肢运动训练和下肢运动训练。有医学研究表明,有规律的、科学的进行康复训练是可以帮助下肢损伤的患者恢复基本行走能力的重要手段,对于家庭乃至社会都有着非同凡响的现实意义。张宵[1]对减重支撑系统结构进行了设计,该结构基本满足减重需求。王文龙[2]设计了一种新型减重结构,能够满足使用者在不同要求下的减重康复训练。张启国[3]设计了一款自主控制的减重系统,可以满足基本的减重步行康复训练的需求。韩朝慧[4]详细介绍了康复机器人的减重系统并验证了可以实现恒力减重。王婷[5]设计了减重系统控制器,可以根据患者的康复程度选择合适的减重力。在此基础上,本文设计了一款康复训练装置,帮助下肢损伤的患者进行康复恢复训练,由于康复训练支架是主要的受力部件,为避免康复训练支架在使用过程中发生断裂,因此需要对康复训练支架进行有限元分析,通过分析结果显示本结构可以满足使用者的使用要求。

2 康复训练装置的设计

减重康复训练目前是国内外应用最多并且治疗效果最明显的一种康复训练方式,现在已经得到了国内外康复治疗的普遍认可。其康复训练的效果也是非常的好,在能够实现为下肢损伤的患者减重的同时,也可以帮助下肢损伤的患者进行康复训练。其主要是使用悬吊装置对下肢损伤的患者进行减重,让下肢损伤的患者的重量减轻,这样就可以实现下肢损伤的患者在支撑能力不足的情况下也能进行正常的康复训练。悬吊支撑装置一般是通过绳索与下肢损伤的患者连接。下肢损伤的患者在走步机的带动下可以下意识的进行步行训练,从而能够促进正常行走能力的恢复。下肢损伤的患者站在走步机上进行康复训练,上身穿着减重马甲,下肢损伤的患者可以通过连接在减重马甲的绳索以及悬挂装置进行减重。下肢损伤的患者在进行康复训练过程中,由于恢复周期较长,下肢损伤的患者在初期训练需要较大的减重,保证他们可以行走；在中期训练较小的减重,就可以保证他们正常进行步行训练；后期训练时,几乎不需要减重,马甲背心可以起到保护患者在康复训练过程中不会摔倒。

如图1 所示,设计的一种康复训练装置,该康复训练装置由减重机构、移动机构、康复训练支架、马甲和走步机组成。减重机构给予下肢损伤的患者提供合适的恒定减重力。该减重机构由步进电机提供动力,用联轴器将电机输出轴与齿轮轴连接在一起,斜齿轮与轴通过平键装配在一起,实现同速转动,再通过斜齿轮组进行减速,另一个斜齿轮通过平键装配在另一根轴上,这根轴与带线圈的轴连接在一起,通过旋转牵动绳索给予下肢损伤的患者需要的减重力,通过定滑轮给绳索固定的方向。绳索连接拉力传感器,可以检测减重力的大小,方便我们调节步进电机给予恒定的减重力。拉力传感器下面连接弹簧,可以弥补下肢损伤的患者在康复训练过程中由于重心的上下波动而引起的减重力的恒定,然后连接到横轴上,再连接到马甲的两侧,避免了单根绳索受力不均,引起下肢损伤的患者在康复训练过程中发生旋转,进而造成第二次伤害。另一个步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠,将减重机构与滚珠丝杠上的螺母座用螺母固定连接,下肢损伤的患者穿上马甲在走步机上进行康复训练,会出现一定的位移,通过滚珠丝杠可以保证减重机构在患者的正上方,保证恒定的减重力。慢慢恢复正常行走能力。康复训练装置的支架由两部分组成,支撑杆和U 型轨道,支撑杆与地面通过螺栓固定,支撑杆与U 型轨道用三个螺栓固定连接。在U 型轨道上有一个减重机构,给予下肢损伤的患者提供合适的恒定减重力,帮助下肢损伤的患者更好的恢复正常的行走能力。康复训练支架在患者使用过程中主要的受力部件,也是容易发生断裂的地方,需要对其进行静力学分析,以满足患者的使用要求。下肢损伤的患者在初期康复训练时,由于下肢不太灵活,走步机可以调到很小的步速,给予患者前期舒适的治疗；在康复训练中期的时候,患者的下肢恢复到一定水平,走步机可以调到合适的步速,可以给患者提供一定的阻力,帮助患者更好的恢复,在康复训练后期的时候,可以根据患者恢复的情况,调到稳定的步速和阻力,以致可以更好的帮助患者恢复行走能力。下肢损伤的患者使用该康复训练装置,不仅可以减轻医疗人员的工作强度,让他们不再多对一的进行指导训练,也能帮助患者恢复基本行走能力,达到较好的治疗效果。

图1 康复训练装置

3 康复训练支架的有限元分析

康复训练支架是主要受力部件,为避免在训练过程中康复训练支架由于受力而发生变形或者断裂,因此需要对康复训练支架进行静力学分析,验证一下康复训练支架是否满足下肢损伤患者的使用要求。

3.1 康复训练支架网格的划分

先使用solidworks 画好康复训练支架的支撑杆、U 型轨道和螺栓零件,支撑杆的长、宽、高分别为15mm、10mm、200mm,U 型轨道长120mm,将支撑杆和U 型轨道通过三个螺栓装配在一起,然后将装配好的的装配图保存格式为.x_t。然后再导入到Ansys workbench18.0 中,对康复训练支架进行静力学分析：先定义材料为Q235,查材料可知,Q235 的密度为7.85g/cm3, 杨氏模量为210GPa,泊松比为0.3,屈服强度为235MPa。再对其进行网格划分,支撑杆和U 型轨道的网格大小设置为50mm,三个螺栓的网格大小设置为5mm,网格划分后生成5927 个节点,2972 个单元。

3.2 施加载荷求解

在两根U 型轨道上施加固定约束,下肢损伤的患者进行康复训练时,下肢损伤的患者通过减重机构进行减重,对U 型轨道施加集中力载荷,轨道最左边是距离支撑杆最远处,也是康复训练支架受力最大处,也是容易发生断裂的地方,因此载荷施力点选定在该位置处,由于给下肢损伤的患者提供最大减重为100kg,所以载荷大小设置为1000N。进行静力学分析,得到的总变形云图和等效应力云图,如图2 所示。

通过分析康复训练支架总变形云图,可得到最大变形出现在轨道最左边,最大位移约为6.3mm。通过分析康复训练支架的等效应力云图,可得到最大等效应力出现在支撑杆的左右两侧,最大等效应力约为211MPa,该康复训练支架使用Q235 材料的最大屈服极限为235MPa。

通过等效应力云图可知支架的最大等效应力值小于材料的屈服极限,该支架满足下肢损伤患者的使用要求。

图2 康复训练支架总变形云图及等效应力云图