壓力傳感器作用下的輸液管變形以及應(yīng)力松弛

黃漢東

(廣州市便攜醫(yī)療科技有限公司,廣東 廣州511300)

1 概述

輸液泵是一種醫(yī)療設(shè)備，用于以受控方式將液體輸送到患者體內(nèi)。有多種不同類型的輸液泵，可用于各種目的和各種環(huán)境。為了確保輸液過程安全，輸液泵內(nèi)有壓力傳感器[1-3]。當(dāng)輸液管壓力大于某一閾值時，輸液泵就會發(fā)出發(fā)生阻塞的警報，同時自動停止輸液。壓力傳感器通過夾緊輸液管來感應(yīng)器內(nèi)部液體的壓力[4-6]。輸液管上的應(yīng)力松弛是影響壓力傳感器的一個重要因素。大部分輸液管的材料為軟PVC,是一種常見的廉價的高分子聚合物。和其它高分子聚合物類似，軟PVC 具有較為明顯的應(yīng)力松弛特性。其內(nèi)部的應(yīng)力會隨時間增加而逐漸衰減,作用于壓力傳感器避免上的接觸壓力也會隨之衰減,而壓力傳感器則無法識別這種壓力衰減是來源于輸液管的應(yīng)力松弛還是輸液管內(nèi)部液體壓力的降低[7-9]。這導(dǎo)致壓力傳感器的讀數(shù)無法正確反應(yīng)輸液管內(nèi)液體的壓力。為了提高壓力傳感器的精度，技術(shù)人員希望由輸液管應(yīng)力松弛產(chǎn)生的壓力變化值盡量小[10-11]。

有限元分析軟件可以模擬由粘彈性材料組成的結(jié)構(gòu)，因此可以利用這些有限元分析軟件計算和模擬應(yīng)力松弛過程。本文采用有限元分析方法研究了壓力傳感器作用下輸液管應(yīng)力松弛的情況。

2 有限元分析過程

有限元分析過程包括幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件定義、材料模型設(shè)置、求解以及后處理過程。

2.1 幾何模型

為了使計算機軟件能夠順利進行分析計算，幾何模型通常是對實物的簡化，同時考慮到讓分析結(jié)果能盡量接近實際情況，簡化后的幾何模型的主要尺寸與實物是一致的，并能夠體現(xiàn)主要的力的大小和作用位置。圖1 為本文建立的用于分析輸液管應(yīng)力松弛現(xiàn)象的幾何模型。

2.2 網(wǎng)格設(shè)置

設(shè)置網(wǎng)格邊長為0.04mm,四邊形網(wǎng)格，進行自動網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。左右兩邊的垂直線代表壓力傳感器壁面。

2.3 邊界條件

圖1 輸液管在壓力傳感器作用下簡化的幾何模型

圖2 壓力傳感器壁面和輸液管的網(wǎng)格劃分

左側(cè)垂直線各方向的自由度設(shè)為0，右垂直線設(shè)置為在1 秒內(nèi)勻速向左移動2mm。1 秒后停止移動，在接下來的9999 秒內(nèi)將計算由管變形產(chǎn)生的管壁上的應(yīng)力分布以及在傳感器壁面產(chǎn)生的接觸壓力。

2.4 材料模型設(shè)置

本文采用在高分子聚合物分析領(lǐng)域比較常用的Mooney-Rivlin 模型，將輸液管所采用的軟PVC 材料試驗結(jié)果輸入到Mooney-Rivlin 模型里，得到圖3 所示的材料參數(shù)曲線。

圖3 輸液管所采用的軟PVC 材料參數(shù)曲線

2.5 求解器設(shè)置

激活大變形靜態(tài)分析。分析時間為0～10000 秒。通過分析過程，計算出壓力傳感器壁面上的接觸壓力以及管壁上的應(yīng)力分布變化。

2.6 分析結(jié)果

圖4 為輸液管管壁上的應(yīng)變分布，箭頭所指的四個角位置的應(yīng)變強度比較低。應(yīng)變分布與應(yīng)力分布具有相同的特征。

圖4 管壁上的應(yīng)變分布

圖5 為輸液管上不同的位置應(yīng)力隨時間變化情況。在10000 秒時，各點的應(yīng)力較第1 秒末的應(yīng)力大幅降低。

圖5

圖6 為輸液管作用在壓力傳感器壁面上的力隨時間變化的情況。由該圖可知，輸液管在壓力傳感器壁上產(chǎn)生接觸壓力合力在10000 秒后減小到小于初始值的四分之一。

圖6 輸液管作用在壓力傳感器壁面上的力隨時間的變化

3 結(jié)論及展望

隨著時間的增加，輸液管作用在壓力傳感器壁面上的接觸壓力會不斷衰減，在10000 秒后減小到小于初始值的四分之一，這使得壓力傳感器很難獲得輸液管中液體的壓力。在壓力傳感器壁面的不同位置，其所受到的接觸壓力不同。因此，更好地設(shè)計傳感器壁的形狀將有助于減少輸液管中液體壓力的誤差。