按摩椅结构设计中的Simulation应用

郭海鹏

摘要：本文介绍了在按摩椅结构设计中应用simulation的方法。首先，通过建立按摩椅的3D模型，将其导入到Simulation软件中进行仿真分析。然后，根据仿真结果对按摩椅的结构进行调整，最终得到一个强度足够且符合人体工程学设计原则的按摩椅结构。本文的研究结果表明，在按摩椅结构设计中应用Simulation可以有效地提高设计效率和设计精度，减少设计成本和设计时间。

关键字：Simulation；按摩椅；结构设计；仿真分析；设计效率；设计强度；设计成本；设计时间；

引言

按摩椅是一种能够提供按摩和舒适体验的家居产品。随着人们对健康的重视和生活质量的提高，按摩椅的需求量不断增加。按摩椅的结构设计对其功能、舒适度以及强度有着重要影响。因此，在按摩椅结构设计中应用Simulation是一种有效的方法。本文将介绍在按摩椅结构设计中应用Simulation的方法，探讨其优势和不足之处。

方法：

1. 按摩椅的3D模型建立

机械设计工程师对CAD/CAE/CAM应该都不陌生，其中Computer Aided Design计算机辅助设计，简称CAD，是指工程师利用计算机对不同的设计方案进行大量的计算、分析和比较，最终得到最佳的方案，通过计算机辅助计算，来减轻工程师的劳动量，缩短开发周期，提高设计的质量。

随着计算机硬件系统的不断更新跌代，计算机的运算能力也有了大幅度的提升，随着CAD软件的功能不断的完善，目前的CAD辅助设计也已经非常的成熟，工程师使用的CAD软件也多种多样，五花八门，从早期的2D 平面绘图软件AutoCAD、CaXa、Photoshop、Coreldraw、Illustrator等，发展到目前的很多3D绘图软件，如：3Ds max、UG、Solidworks、Proe、Croe、Rhino、Catia、Maya、Cinema 4D等等，机械结构设计中常用的CAD设计软件有UG、Solidworks、Croe。

按摩椅的3D模型是simulation分析的基础。通过使用CAD软件，可以建立按摩椅的3D模型。在建立模型时，应考虑到按摩椅的各个部分的形状、尺寸和位置。此外，应考虑到按摩椅的人体接触面，以便在后续的仿真分析中得到准确的结果。

下面通过实例来演示说明，Simulation是如何通过仿真分析来达到产品必要的设计强度的同时，还能够达到节约设计成本的目的。

如图1所示：该框架的CAD设计由2，4，6三种方管，通过6个3号的三角片连接而成，我们要通过Simulation来分析这个结构设计强度的合理性，经济性，来达到最优化设计的目的：    

图1

2. 模型导入Simulation软件

Computer Aided Engineering计算机辅助工程，简称CAE，利用计算机来辅助求解和分析复杂产品的结构力学性能，对设计结构进行优化，同时也能把生产的各个环节有机地组织起来。是利用计算机辅助求解复杂的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力回应、热传导等力学性能的分析，可作静态结构分析和动态分析。CAE分析软件有很多，如：ANSYS、ABAQUS、FLUENT、COMSOL、NASTRAN、ADINA、MARC、MAGSOFT等。

由于3D软件的不断完善与更新，一般的3D CAD软件都会集成CAE的功能模块，Solidworks也不例外。从2009年开始，Solidworks FEA软件名字从COSMOSWorks改名为Solidworks Simulation，简称Simulation, 它是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统。Simulation 和CAD图面设计使用同一视窗界面中进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析，大大的节省了图面格式转换及导入导出的设计时间，提升了设计效率，也减少图面在导入导出时可能发生的错误。Simulation 凭借着快速解算器的强有力支持，能够使个人计算机快速解决大型问题，节省了搜索最佳设计所需的设计时间和精力，可大大缩短产品上市的时间。Solidworks中的Simulation是按摩椅框架结构设计应用中不错的一个选择。

将按摩椅的3D模型打开，并加载Simulation插件，即可以Solidworks软件中进行仿真分析。在分析时，要注意对模型进行适当的几何修复和网格划分，以确保仿真的准确性。在进行仿真分析之前，应设置好仿真参数。

如图2所示：将所有材料设置为纯碳钢，并设置A处的轴为固定，设置B点为施力点，施加力F=1600N，力的设定按照机台的重量，人体的重量，再乘以安全系数2，以保证分析数据的准确性。

图2

设定好参数后，对框架结构进行网格化，根据模型的复杂程序，将结构划分网格，划分的越精细对计算机的配置要求越高，计算的结果也越准确。

3. 按摩椅的仿真分析

按摩椅的仿真分析主要包括两个方面：结构分析和人体工程学分析。 结构分析主要考虑按摩椅的强度和刚度。通过在Simulation软件中施加不同的载荷和约束条件，可以模拟按摩椅在使用过程中的受力情况。根据仿真结果，可以分析按摩椅的强度和刚度是否满足设计要求。如果不满足，可以对按摩椅的结构进行优化设计。 人体工程学分析主要考虑按摩椅的舒适度和人体适应性。通过在Simulation软件中模拟人体在按摩椅上的姿势和运动，可以得到人体在按摩椅上的受力情况。根据仿真结果，可以分析按摩椅的舒适度和人体适应性是否满足设计要求。如果不满足，可以对按摩椅的结构进行优化设计。

Simulation在按摩椅的机械结构设计中的运用非常重要，无论是哪个机械产品结构在一定的工作条件下（静态或动态），为了要实现一定的功能，如传递运动，传递动力或负载，都要求有一定的设计强度，刚度，寿命和可靠性。强度简单的说就是结构材料的承载能力，即工作的零部件在工作负载的过程中不发生任何形式的破坏，即不超过材料的屈服强度。强度的计算方法有应力计算法和安全系数计算法等。这两种方法都是要与材料本身的屈服强度做比较来判断结构设计的合理性。机械结构设计强度的合理性，是在满足安全、可靠性的同时，也要保同时证产品的经济性，如果一味的强调设计强度，可能会导致设计成本上升，一味的降低设计成本可能会导致设计强度不足，如何利用适当的设计成本，设计出足够的强度，是Simulation分析在产品设计过程中使用的最重要的原因。

图3

使用Simulation进行结构强度的仿真分析，得出的结果如图3所示，结构的应力大于材料的降伏强度，从而可以判定结构设计强度不足，需要改进和补强。这样的结果，为我们节省了打样验证失败所需要的设计时间，设计成本，大大提高了设计效率。

4. 计算结果分析和结构调整

根据以上的仿真分析的结果，我们可以对按摩椅的结构设计进行进一步的调整。针对按摩椅的设计强度和刚度不满足设计要求的地方，可以对按摩椅的材料、结构和连接方式进行优化设计。如果按摩椅的舒适度和人体适应性不满足设计要求，可以调整按摩椅的形状、尺寸和曲线，以使其更符合人体工程学原则。

根据图3的分析结果，我们已经知道，设计强度比较薄弱的地方是4号管材两头与6号管材连接的地方，针对此处的设计强度不足，我们就可以进行有针对性的改善设计，提升设计图度。

图4

如图4所示：将4号管材加长，插入到两支6号管材的孔内，并增加3号管材，取消原来设计的6片3号三角补强片，不仅设计成本降低，设计强度还进一步的得到提升，根据新的设计，可以通过Simulation再做一次仿真分析来确认设计强度是否得到改善。

5. 仿真验证

对于按摩椅的结构强度设计进行调整后，需要再进行一次仿真分析。通过对修改后的按摩椅再进行一次仿真分析，验证按摩椅的设计强度、刚度、舒适度和人体工学适应性是否满足设计要求。如果满足，可以进行实验测试法，即实际制造样品进行强度测试；如果不满足，可以继续优化设计强度。

如图5所示：使用相同的仿真分析方法和条件：设置A处的轴为固定，设置B点为施力点，施加力F=1600N，网格化3D图：使用Simulation进行结构强度的仿真分析，得出的结果如下：

图5

如图所示，结构的应力最大值为176.4Mpa，小于材料本身的的降伏强度220.6Mpa，从而可以判定结构设计强度是足够的，这样的设计强度是合理的，通过这个实例，证明Simulation在按摩椅结构设计中的应用，减少了一次失败的风险和失败的测试验证时间，节约了设计时间和设计成本。

6. 结果

以上的分析方法是理论分析法，为了更好的验证设计强度，我们还需要结合实验测试法，需要根据理论和实验两者测试的结果作为设计强度是否足够的依据。

Simulation软件的分析报告，总是会在最后放上一段话：

不要仅依据Simulation设计分析软件所提供的结果来决定您的设计。将此咨询与实验性的资料及实际的经验结合起来一起使用。必须要有现场测试来验证您最后的设计，Simulation设计分析软件帮助您减少现场测试以降低产品上市的时间，但不能完全省略现场测试。

可见现场测试和理论分析同等的重要，不可忽略。所以我们要将设计的最终方案进行实际样品制作，并且作实际样品的测试验证。

图6

如图6所示，使用计算机式伺服控制材料试验机，将实际样品按照Simulation分析的方式进行固定和加压负载，当负载在850Kg的时候，实际样品发生屈服弯曲变形，即B点可承受4250N，远远大于Simulation分析结果，测试结果确认产品实际的承载强度与设计强度一致，符合设计要求。

结论：

在按摩椅结构设计中应用Simulation是一种有效的方法。通过在Simulation软件中进行仿真分析，可以及时发现和解决按摩椅结构设计中存在的问题，从而得到一个符合强度设计原则的按摩椅结构。通过在按摩椅结构设计中应用Simulation，可以提高设计效率和设计精度，减少设计成本和设计时间。在今后的按摩椅结构设计中，Simulation应该得到广泛的应用。

参考文献：

1.Solidworks Simulation基礎教程