27、机械工程领域多项研究成果解析

机械工程领域多项研究成果解析

人工下肢的设计、建模与优化

材料与方法

• 计算建模 ：运用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术对假肢进行计算建模，以实现下肢无阻碍的屈伸运动。借助CATIA V5软件构建了下肢截肢者的人工肢体三维模型，该模型包含两部分：下端带（脚踝）脚的可调节胫骨结构，以及上端带柔性插座的可调节股骨。之后将3D模型保存为stp格式并导入有限元软件ANSYS进行分析。
• 模型开发 ：同样在CATIA V5软件中构建三维模型，此模型有球形插座和固定在2.5mm水平轴上的球，有助于一维旋转运动。胫骨长度为360mm，可调节至(360 + 140)mm，直径40mm；股骨长度70mm，可调节至(70 + 46)mm，直径38mm。将模型保存为stp格式后导入ANSYS进行静态结构分析，并为假肢的主要部件分配不锈钢和碳纤维材料。为精确分析模型各部分，将其转换为有限元，如四面体、三角形或六边形。完成整个模型的网格划分后，节点数和单元数分别为255,771和134,659。

结果与讨论

对不锈钢和碳纤维材料的人工下肢结构进行分析，结果如下表所示：
| 材料 | 最大主应力（MPa） | 最大总变形（mm） | 主要部件总重量（kg） |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 不锈钢 | 0.8539 | 0.000183 | 5.2665 |
| 碳纤维 | 0.79081 | 0.000393 | 2.6 |

采用碳纤维材料时，重量减少了