基于ANSYS Workbench的傷員快速固定裝置優化設計

【作 者】荊鈺霏，陳紅，張孝強，趙展，于旭東，王偉

1 海軍特色醫學中心，上海市，200093

2 中國人民解放軍 國海軍航空大學，煙臺市，264001

3 上海理工大學，上海市，200093

0 引言

在戰斗機迫降、車禍、地震、建筑物倒塌等災難情況下，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。一方面事故現場隨時可能出現起火、爆炸、坍塌等后續風險，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鍵[3]，相比肢體骨折，頭頸和脊柱骨折處理還應考慮呼吸、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；已有的急救固定設備通常關注于飛行員救援[5]、快速起吊[6]、重型顱腦傷防護[7]以及調溫[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，傷員快速固定技術已成為衡量各國戰場衛生救護能力的指標之一[9]。針對狹小空間內的傷員固定難題，筆者設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鍵部件（背板）的優化設計，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計

對傷員的急救，必須實施初步的現場急救處理后再進行安全轉運[10]，急救、生命支持、轉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鍵問題仍未徹底解決。筆者設計的固定裝置滿足以下要求：①安全、有效、可靠地實現頭頸和軀干固定；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 符合人體工效學要求，滿足傷員戴頭盔狀態下的適用性。鑒于三維建模軟件UG可與ANSYS Workbench分析軟件實現無縫對接，參考GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》標準，采用UG軟件對固定裝置各部件進行參數化建模設計，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，屬于關鍵部件。

圖1 虛擬設計示意圖Fig.1 Image of virtual design

2 背板的靜力學有限元分析與優化設計

2.1 有限元模型建立

背板作為固定裝置中的關鍵部件，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雜載荷[12]。傳統的設計及驗證周期長，無法定量分析其結構強度，易造成受力分配不合理、結構失效等問題。有限元分析可快捷評估所設計產品的性能，能大幅降低實驗成本，縮短開發流程。我們采用UG軟件建立背板的準確三維結構模型，通過軟件接口將背板模型導入ANSYS Workbench軟件。參考相關文獻[13]并結合選用的碳纖材質信息，設定許用應力為2 000 MPa，彈性模量為200 GPa，密度為1 600 kg/m3，泊松比為0.33。依次進行特性設置和網格劃分，建立背板有限元模型。由于網格的質量決定整個有限元分析的成敗，采用尺寸控制及分網控制法對背板進行網格劃分。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，設置人體重量3倍以上的力作為加載載荷，在人體背部對應背板位置施加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區域為背板的固定位置，B區域為背板靠背及頭部對應位置施加的力，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 優化設計計算

（1）質量減少30%。設定質量減少30%的優化比例為前提條件，進行拓撲優化計算，獲得背板的拓撲優化結果（圖3），深色部分表示可切除區域，淺色部分表示保留區域。

圖3 質量減少30%拓撲優化結果圖Fig.3 Image of topology optimization result with 30% mass reduction

（2）質量減少70%。設定拓撲優化質量減少70%的優化比例，進行拓撲優化計算，獲得背板的拓撲優化結果（圖4）。

圖4 質量減少70%拓撲優化結果Fig.4 Image of topology optimization result with 70% mass reduction

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

圖5 改進的背板網格圖Fig.5 Image of improved backplane grid

2.4 優化設計改進后的模型分析

為驗證改進設計后的背板是否滿足強度的要求，對其CAD模型進行力學分析。考慮實際受力情況的不確定性，對改進后的結構重新劃分網格并采用加載約束方式進行驗證。網格劃分共劃分成個12 492節點，11 874個單元（圖6）。根據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域（圖7）。最大位移在頭部頂端的背板處，最大應力336.50 MPa，最大位移5.415 7 mm，滿足背板結構強度要求，形變在可接受范圍內。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]，通過應變片載荷傳感器，進行拉伸、彎曲、壓縮、動力學、扭轉等多種測試。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，樣品未發生明顯形變，繪制出的時間、位移、應力表格數據無異常變化，位移-應力曲線基本平滑，當拉力達到 3 000 N以上時結束拉伸（圖8）。經驗證，所設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：頭部設有孔狀凹槽，用于頭盔的后仰及減重所需；頸部設有長槽，用于頸托的上下滑動；肩部左右對稱，兩邊設有長圓孔用于胸前安全帶的固定；臀部為倒立的馬鞍形結構，兩邊設有長圓孔，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。由于現有市售頸托并不適合戴頭盔狀態下的頭頸部固定，設計簡單且方便快速固定的頸托。采用金屬底板作為基礎頸托模型，并覆蓋內襯套，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；松緊度可調整，頸部翻邊設計與下巴貼合度好。

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，以模仿實際懸吊轉運過程中的不穩定力輸出。懸吊試驗，如圖9(b)所示。經試驗驗證：背板可完美托起傷員背部，貼合人體且厚度較薄；頸椎固定板表面設置的親膚纖維、可塑輪廓和位置可調設計使其能很好地與頸部接觸，不產生滑動；吊帶可綁住人體并實現自鎖緊；胸前吊起的方式能適應各種阻礙，避免二次傷害[16]。

6 結論

災難情況下傷員容易被限制在狹小空間內，特別是脊柱損傷后無法實施直接搬運轉移，救援難度大。筆者通過有限元分析和優化設計，研制了一種安全可靠的新型傷員快速固定裝置，實現了傷員救援過程中的頭頸和軀干快速固定，減少了轉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受困傷員的安全、快速救援難題。基于有限元分析的優化設計方法亦可應用于其他救援設備的設計研制。