基于ANSYS Workbench的傷員快速固定裝置優(yōu)化設(shè)計

【作 者】荊鈺霏，陳紅，張孝強，趙展，于旭東，王偉

1 海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海市，200093

2 中國人民解放軍 國海軍航空大學(xué)，煙臺市，264001

3 上海理工大學(xué)，上海市，200093

0 引言

在戰(zhàn)斗機迫降、車禍、地震、建筑物倒塌等災(zāi)難情況下，傷員通常會被局限在飛機座艙、車廂、塌陷的建筑物間隙等狹小空間內(nèi)。一方面事故現(xiàn)場隨時可能出現(xiàn)起火、爆炸、坍塌等后續(xù)風(fēng)險，必須盡快救助傷員離開險地；另一方面為避免骨折[1-2]后的繼發(fā)性損傷，必須先實施防護固定。因此，傷員快速固定成為救援的關(guān)鍵[3]，相比肢體骨折，頭頸和脊柱骨折處理還應(yīng)考慮呼吸、搬運等影響，操作難度更大[4]。常見的傷員固定抬板可對傷員進行頭部和脊柱固定，一般采用塑料、充氣橡膠等材料，功能多樣，可組合使用，但體積較大、操作復(fù)雜，不適合在狹小空間使用，其固定綁帶主要用于傷員限位，防護性差；石膏和氣囊脊柱固定在災(zāi)害中搶險救援、交通事故、建筑工程搶救等情況下具有良好的效果，但在飛機座艙、駕駛室等受限空間適用性差；已有的急救固定設(shè)備通常關(guān)注于飛行員救援[5]、快速起吊[6]、重型顱腦傷防護[7]以及調(diào)溫[8]等方面，未能徹底解決頭頸部有效固定不足、防護效果欠佳等問題。目前，傷員快速固定技術(shù)已成為衡量各國戰(zhàn)場衛(wèi)生救護能力的指標(biāo)之一[9]。針對狹小空間內(nèi)的傷員固定難題，筆者設(shè)計了一種傷員快速固定裝置（以下簡稱：固定裝置），并重點進行固定裝置關(guān)鍵部件（背板）的優(yōu)化設(shè)計，以降低重量、提高安全性和適用性。

1 固定裝置的三維建模設(shè)計

對傷員的急救，必須實施初步的現(xiàn)場急救處理后再進行安全轉(zhuǎn)運[10]，急救、生命支持、轉(zhuǎn)運一體化裝備目前為研究的重點和熱點[11]，但對頭頸部固定的關(guān)鍵問題仍未徹底解決。筆者設(shè)計的固定裝置滿足以下要求：①安全、有效、可靠地實現(xiàn)頭頸和軀干固定；②額定承載達75 kg，破壞強度小于300 kg；③展開和固定的時間小于2 min；④ 重量小于2 kg；⑤ 符合人體工效學(xué)要求，滿足傷員戴頭盔狀態(tài)下的適用性。鑒于三維建模軟件UG可與ANSYS Workbench分析軟件實現(xiàn)無縫對接，參考GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》標(biāo)準，采用UG軟件對固定裝置各部件進行參數(shù)化建模設(shè)計，確定各部分尺寸，進行虛擬總裝配。固定裝置由背板、頸托和固定綁帶三部分組成（圖1），其中背板主要用于支撐及固定身體軀干，在懸吊過程中承受傷員體重壓力，屬于關(guān)鍵部件。

圖1 虛擬設(shè)計示意圖Fig.1 Image of virtual design

2 背板的靜力學(xué)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

2.1 有限元模型建立

背板作為固定裝置中的關(guān)鍵部件，腿部綁帶、胸前及腰部綁帶均與之連接，承載人體重量尤其是背部和頭部重量，救援起吊過程中承受著多方向的復(fù)雜載荷[12]。傳統(tǒng)的設(shè)計及驗證周期長，無法定量分析其結(jié)構(gòu)強度，易造成受力分配不合理、結(jié)構(gòu)失效等問題。有限元分析可快捷評估所設(shè)計產(chǎn)品的性能，能大幅降低實驗成本，縮短開發(fā)流程。我們采用UG軟件建立背板的準確三維結(jié)構(gòu)模型，通過軟件接口將背板模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件。參考相關(guān)文獻[13]并結(jié)合選用的碳纖材質(zhì)信息，設(shè)定許用應(yīng)力為2 000 MPa，彈性模量為200 GPa，密度為1 600 kg/m3，泊松比為0.33。依次進行特性設(shè)置和網(wǎng)格劃分，建立背板有限元模型。由于網(wǎng)格的質(zhì)量決定整個有限元分析的成敗，采用尺寸控制及分網(wǎng)控制法對背板進行網(wǎng)格劃分。尺寸控制采用Elem Sizing選項控制單元尺寸為5 mm，并局部細化，共劃分成130 620個節(jié)點，33 534個單元。

2.2 約束與載荷施加

由于邊界上的力一般都未知，為保證可靠性并簡化計算，對約束條件進行簡化。根據(jù)背板實際懸吊過程，采用的載荷加載方式為：①在每個固定綁帶長圓孔的位置施加固定約束；②考慮到安全性，設(shè)置人體重量3倍以上的力作為加載載荷，在人體背部對應(yīng)背板位置施加3 000 N垂直于背板的向下壓力，并同時施加與背板板面相切的3 000 N下滑力；③考慮頭部約占身體重量的10%，在人體頭部位置對應(yīng)的背板處施加垂直于背板的300 N壓力，并同時施加與背板板面相切的300 N下滑力。圖2所示A區(qū)域為背板的固定位置，B區(qū)域為背板靠背及頭部對應(yīng)位置施加的力，合力分別為4 242.6 N和424.26 N。

圖2 背板的約束及加載圖Fig.2 Image of constraint and loading of backplane

2.3 優(yōu)化設(shè)計計算

（1）質(zhì)量減少30%。設(shè)定質(zhì)量減少30%的優(yōu)化比例為前提條件，進行拓撲優(yōu)化計算，獲得背板的拓撲優(yōu)化結(jié)果（圖3），深色部分表示可切除區(qū)域，淺色部分表示保留區(qū)域。

圖3 質(zhì)量減少30%拓撲優(yōu)化結(jié)果圖Fig.3 Image of topology optimization result with 30% mass reduction

（2）質(zhì)量減少70%。設(shè)定拓撲優(yōu)化質(zhì)量減少70%的優(yōu)化比例，進行拓撲優(yōu)化計算，獲得背板的拓撲優(yōu)化結(jié)果（圖4）。

圖4 質(zhì)量減少70%拓撲優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Image of topology optimization result with 70% mass reduction

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的是在滿足強度要求的基礎(chǔ)上減輕重量，參照優(yōu)化設(shè)計結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行修改設(shè)計時一般可根據(jù)實際情況進行酌情調(diào)整[14]。考慮到傷員的背部支撐需要和強度冗余，參考減重70%的優(yōu)化趨勢，以減重30%的優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)對背板進行設(shè)計修改（圖5）。

圖5 改進的背板網(wǎng)格圖Fig.5 Image of improved backplane grid

2.4 優(yōu)化設(shè)計改進后的模型分析

為驗證改進設(shè)計后的背板是否滿足強度的要求，對其CAD模型進行力學(xué)分析?？紤]實際受力情況的不確定性，對改進后的結(jié)構(gòu)重新劃分網(wǎng)格并采用加載約束方式進行驗證。網(wǎng)格劃分共劃分成個12 492節(jié)點，11 874個單元（圖6）。根據(jù)實際傷員綁定時的肩、腰、臀部受力方式進行加載：①在每個固定綁帶長圓孔位置施加固定約束；②在人體背部對應(yīng)的背板位置施加垂直于背板向下的3 000 N壓力，并同時施加與背板板面相切的3 000 N下滑力，合力為4 242.6 N；③在頭部位置對應(yīng)的背板處施加垂直于背板的300 N壓力，并同時施加與背板板面相切的300 N下滑力，合力為424.26 N。圖6中A塊表示背板的固定位置，B塊表示背板靠背及頭部對應(yīng)位置施加的力，近似于人體躺在背板上時對固定綁帶長圓孔位置施加的斜向上拉力。

圖6 背板約束與力加載圖Fig.6 Image of constraint and loading of backplane

加載后分析，應(yīng)力主要集中在固定綁帶連接處的長圓孔位置，以及靠背中間與最近的固定綁帶連接處的中間連接區(qū)域（圖7）。最大位移在頭部頂端的背板處，最大應(yīng)力336.50 MPa，最大位移5.415 7 mm，滿足背板結(jié)構(gòu)強度要求，形變在可接受范圍內(nèi)。表明改進后的背板剛度滿足要求，重量顯著減輕，驗證了本設(shè)計的合理性。

圖7 加載后的有限元分析Fig.7 Image of finite element analysis with loading

3 強度驗證

采用英斯特朗公司的Instron5965材料拉伸試驗機[15]，通過應(yīng)變片載荷傳感器，進行拉伸、彎曲、壓縮、動力學(xué)、扭轉(zhuǎn)等多種測試。以100 mm/min的速度垂直進行拉伸實驗，材料試驗機加載力緩慢增加到2 400 N時，樣品未發(fā)生明顯形變，繪制出的時間、位移、應(yīng)力表格數(shù)據(jù)無異常變化，位移-應(yīng)力曲線基本平滑，當(dāng)拉力達到 3 000 N以上時結(jié)束拉伸（圖8）。經(jīng)驗證，所設(shè)計的新型固定裝置符合承力要求。

圖8 拉伸曲線Fig.8 Stretch curve

4 樣機制作

背板可分為頭部、頸部、肩部、背部及臀部：頭部設(shè)有孔狀凹槽，用于頭盔的后仰及減重所需；頸部設(shè)有長槽，用于頸托的上下滑動；肩部左右對稱，兩邊設(shè)有長圓孔用于胸前安全帶的固定；臀部為倒立的馬鞍形結(jié)構(gòu)，兩邊設(shè)有長圓孔，用于腿部安全帶的固定。背板上縱向和橫向均開有減重槽，邊緣處設(shè)有安全帶固定長圓孔。為減少摩擦，降低安全帶被切割危險，對所有固定安全帶的長圓孔進行圓角處理。由于現(xiàn)有市售頸托并不適合戴頭盔狀態(tài)下的頭頸部固定，設(shè)計簡單且方便快速固定的頸托。采用金屬底板作為基礎(chǔ)頸托模型，并覆蓋內(nèi)襯套，縫紉刺毛自粘帶，制作過程簡單且無需使用高溫成型設(shè)備。組裝頸托和背板制成的最終樣機總重小于5 kg。樣機裝配，如圖9(a)所示。

圖9 裝配及試驗Fig.9 Assembly and test

5 實驗

5.1 穿戴實驗

穿戴試驗表明，固定方法簡單（均為插扣式連接），操作方便可靠，正確插入到位后有聲音提醒，展開及固定時間小于1 min，符合人體生理曲線，長短調(diào)整迅速。模擬傷員評價為：與肢體接觸面較大，受壓分布合理，穿戴感覺較舒適；松緊度可調(diào)整，頸部翻邊設(shè)計與下巴貼合度好。

5.2 懸吊試驗

模擬傷員身高大于175 cm，懸吊高度3.5 m，懸吊后傷員腳部離地高度大于1 m，保持時間大于5 min，并人為推動施加向下拉力，以模仿實際懸吊轉(zhuǎn)運過程中的不穩(wěn)定力輸出。懸吊試驗，如圖9(b)所示。經(jīng)試驗驗證：背板可完美托起傷員背部，貼合人體且厚度較薄；頸椎固定板表面設(shè)置的親膚纖維、可塑輪廓和位置可調(diào)設(shè)計使其能很好地與頸部接觸，不產(chǎn)生滑動；吊帶可綁住人體并實現(xiàn)自鎖緊；胸前吊起的方式能適應(yīng)各種阻礙，避免二次傷害[16]。

6 結(jié)論

災(zāi)難情況下傷員容易被限制在狹小空間內(nèi)，特別是脊柱損傷后無法實施直接搬運轉(zhuǎn)移，救援難度大。筆者通過有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，研制了一種安全可靠的新型傷員快速固定裝置，實現(xiàn)了傷員救援過程中的頭頸和軀干快速固定，減少了轉(zhuǎn)運過程中二次受傷的可能性，增強了安全救援效果，較好地解決了狹小空間內(nèi)受困傷員的安全、快速救援難題?；谟邢拊治龅膬?yōu)化設(shè)計方法亦可應(yīng)用于其他救援設(shè)備的設(shè)計研制。