基于simulation的医用升降椅参数化设计

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【摘 要】随着科学技术的飞速发展和人们对产品性能要求的不断提高，传统的设计方法弊端显露，设计的产品笨重、有可能不满足使用要求。现代设计方法变得越来越重要，优化设计作为典型的现代设计方法，以其独特的优势得到了广泛应用，本文在医用升降椅的设计中，使用solid works/simulation优化设计方法对摇臂长度、摇臂高度和活塞杆伸缩长度进行设计，在升降行程参数约束条件下，通过迭代计算，得出了马达力最小的优化设计方案。

【关键词】医用升降椅；优化设计；迭代计算

0 概述

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，寿命期缩短，复杂性增加，更新换代速度变快。此外，由于国际化市场的激烈竞争，用户对产品功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高，以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对制造业的渗透、改造和更新，使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、制造、管理、销售到回收再生的全过程的跨多个学科且高度复杂化、集成化的先进制造技术[1]。现代设计是现代制造的基础，伴随着先进制造技术的发展，以计算机和信息技术为主体的产品现代设计方法得到了普遍应用。

1 优化设计

优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。在众多的优化设计中，结构优化是其他优化设计的前提和基础，只有在结构优化的基础上，才能进一步进行性能的优化，结构优化是在给定约束条件下，按某种目标求出最好的设计方案，通常以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。

2 医用升降椅优化设计

2.1 升降椅及其结构组成

升降椅是一种新型的椅子，市面上的升降椅使用的升降装置分为3类――油压、机械式和气压。在低端的升降椅中以气压的居多。气压式升降椅里有个气缸，气缸内的活塞气动杆上下运动支配椅子升降。

近年来，由于气压升降椅的事故频频发生，液压式升降椅的市场占有率在程上升趋势，液压升降椅由于升降过程动作平稳等一系列有点，被广泛应用于美容店、医疗机构等。如图1所示，本文设计的医用液压升降椅主要由座板、靠背、扶手、支架、支架摇臂、升降定位装置（马达和活塞杆）和椅脚构成。其特征在于：支架和椅脚之间由支架摇臂进行对应铰接，支架摇臂以铰接在椅脚上铰接轴为圆心上下转动，当摇动支架摇臂时带动支架进行升降，实现座板的升降；另外，在支架与椅脚之间还设置了升降定位装置。

2.2 升降椅的优化设计

使用优化设计软件SolidWorks/simulation进行优化，优化参数为摇臂长度、摇臂高度和活塞杆伸缩长度，边界约束条件为最大升降位移和最小升降位移，优化目的是马达力最小化。

分析优化结果可以看出，迭代3得到的结果最优，即在摇臂长度为0.4m，摇臂宽度为0.3m，活塞杆伸长量为0.6m时，满足最小、最大升降位移的约束条件下，马达力达到最小值1393.25N。

3 结论

马达力随摇臂长度增加呈正比关系增长，随摇臂宽度增加呈减小趋势，在摇臂宽度为0.15-0.27的范围内降低较快，基本上呈线性趋势，之后基本趋于稳定（最小值），所以在设计时可以固定摇臂宽度，变量减少一个，可以大大简化优化设计过程，尤其在分析变量与变量相关性的优化过程中，这样做尤为重要。另外，马达力随活塞杆伸长量的增大而减小，基本上呈线性趋势。本文的优化设计过程为医用升降椅设计提供了重要的理论依据。

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