一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法

1.本发明涉及气囊床垫仿真技术领域，特别涉及一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法。


背景技术：

2.重症患者由于处于完全无意识或者半无意识状态，长期卧床导致身体局部组织长时间受压、缺氧、缺血而产生压疮。气囊护理床垫由多个充气气囊阵列而成，通过控制气囊的充放气使人体翻身，改善身体压力分布，避免局部组织长时间受压，从而预防压疮的产生，达到护理目的。不同躺姿下患者与气囊床垫接触部位的压力分布有很大差别，为了能够达到改善身体压力分布的目的，在气囊护理床垫设计研发过程中，通过建立气囊护理床垫的有限元模型，对气囊护理床垫在外力和内部气体压力作用下的力学特性进行仿真分析，是实现精准控制，优化设计的重要前提。
3.现有技术较少涉及气囊的数值仿真，申请号为201410063266.0的发明专利公开了一种安全气囊的有限元仿真分析方法，通过创建折叠前安全气囊的有限元拉格朗日网络模型、安全气囊折叠后外部的欧拉流体网络模型及气体发生器内部的欧拉流体网络模型，能够真实有效地仿真出发生碰撞时，安全气囊在展开过程中内部各点的压力值，从而评定处汽车在发生碰撞时，安全气囊展开过程中对处于非正常坐姿的乘客的伤害，对安全气囊系统的设计和开发提供一定指导。但是，只针对单个气囊进行力学特性分析，而气囊护理床垫的气囊相互耦合，气囊之间相互挤压，因此该方法无法准确反映气囊耦合过程中的状态变化，无法为气囊护理床垫的防压疮控制提供参考。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法。
5.本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
6.一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法，床垫包括沿床垫长度方向的两列气囊，两列气囊均由多个双层楔形气囊紧密排列而成，同一排的两个双层楔形气囊的楔形面接触；双层楔形气囊由两个楔形气囊堆叠在一起，两个楔形气囊的内腔相通；其特征在于，该方法包括以下步骤：
7.步骤1、从床垫构型中提取用于仿真的最小特征单元，即将楔形面接触的两个双层楔形气囊看作整体并沿对称面均分为两部分，每部分都为一个最小特征单元，故最小特征单元由一个双层楔形气囊的一半与另一个双层楔形气囊的一半耦合而成，将一个双层楔形气囊的一半和另一个双层楔形气囊的一半分别记为气囊单体一和气囊单体二；在有限元仿真软件中建立实体模型，包括最小特征单元、重物和边界，重物用于模拟人体；
8.步骤2、定义材料属性，并进行网格划分；重物和边界的材料属性参数均包括密度、杨氏模量和泊松比；由超弹性材料本构模型获得气囊材料的属性参数；最小特征单元的网
格采用壳单元，重物和边界的网格采用实体单元；
9.步骤3、模型装配与设置接触；接触分为通用接触和面接触，通用接触应用于整个模型，面接触用于两个气囊单体之间、重物与气囊单体、以及气囊单体与边界之间；
10.步骤4：设置各个仿真步的边界条件；
11.设置气囊单体的压力边界条件，即选择气囊单体的内表面作为气体压力的作用面，设置气体压力大小，方向为气体压力作用面的法线方向；
12.整个仿真过程包含三个仿真步，仿真步一用于模拟气囊充气过程，仿真步二用于模拟人体躺下的过程，仿真步三用于模拟人体翻身运动；在仿真步一中，将重物、气囊单体一、实体边界一和实体边界二的位置固定，设置气囊单体二和实体边界三沿z轴负方向移动相同距离，使两个气囊单体剖分面的间距等于在护理床垫中的实际间距，同时设置两个气囊单体的气体压力增加，直至气囊单体的内压达到设定值；在仿真步二中，删除气囊单体的压力边界条件和重物的位置固定约束，将实体边界一、实体边界二和实体边界三的位置固定，设置两个气囊单体剖分面上的边界点沿z轴方向的位移为零；重物在重力作用下下落至气囊单体上并使气囊单体产生变形，直至气囊单体达到稳态；在仿真步三中，设置其中一个气囊单体的气体压力增大或减小至设定值；其中，以气囊的高度方向为x轴，长度方向为y轴，宽度方向为z轴；
13.步骤5：设置参数，运行仿真，得到仿真数据；
14.定义人体与气囊的有效接触面积为气囊受到的载荷与气囊内压的比值，获取仿真步三中人体与气囊的有效接触面积，得到有效接触面积曲线，曲线斜率即为有效接触面积变化率；若有效接触面积变化率大于等于阈值，则表明人体与气囊的接触面积突变较大，增加了产生压疮的风险，故在控制气囊护理床垫使人体翻身时，应避免人体体位停留在有效接触面积变化率大的位置；
15.翻身运动完成后，从气囊单体与重物接触区域内随机选取多个网格节点，若这些网格节点的应力均超过限定值，则表明人体相应部位产生压疮的风险增大，应调整人体体位。
16.进一步的，在步骤2中，在准静态环境中对试件进行单轴拉伸实验，获得不同载荷下试件的变形量；将不同载荷下试件的变形量代入超弹性材料本构模型中进行曲线拟合，得到材料属性参数；超弹性材料本构模型采用yeoh模型。
17.进一步的，在步骤2中，壳单元为四边形壳单元，网格尺寸为2～4mm；实体单元为8节点六面体实体单元，网格尺寸为5～10mm。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.根据气囊护理床垫的结构特点，从整体构型中提取最小特征单元，只针对最小特征单元进行仿真即可反映整体变化，无需建立整个护理床垫的有限元模型，降低了仿真的复杂程度，减少了计算量，提升了收敛速度。整个仿真过程一共包含三个仿真步，分别模拟了气囊充气过程、人体躺下以及翻身过程，直观地反映了护理床垫在各个过程中的状态变化，同时得到了耦合区域的参数。将翻身过程中人体与气囊的有效接触面积变化率作为压疮风险指标，为护理床垫的设计和控制提供了基础，控制气囊护理床垫使人体翻身时，应避免人体体位停留在有效接触面积变化率大的位置，以降低产生压疮的风险。人体与气囊接触区域内网格节点的应力也能反映产生压疮的风险，因此通过仿真得到接触区域内的参
数，得到患者易产生压疮的部位，并通过控制气囊充放气调整人体体位，避免身体组织局部长时间受压，减小产生压疮的风险，为防压疮护理床垫的设计和开发提供指导。
附图说明
20.图1是本发明的阵列式楔形气囊护理床垫的结构示意图；
21.图2是本发明的整体流程图；
22.图3是本发明的最小特征单元的结构图；
23.图4是本发明建立的实体模型的结构图；
24.图5是本发明的气囊单体剖分面边界点的示意图；
25.图6是仿真步二得到的气囊单体内压变化曲线图；
26.图7是仿真步二得到的网格节点位移变化曲线图；
27.图中，1-重物；2-气囊单体一；3-实体边界一；4-实体边界二；5-实体边界三；6-气囊单体二。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但并不以此限定本技术的保护范围。
29.如图1所示，本发明的气囊护理床垫包括沿床垫长度方向的两列气囊，两列气囊均由多个双层楔形气囊紧密排列而成，两列气囊相互穿插耦合在一起，即同一排的两个双层楔形气囊的楔形面接触；双层楔形气囊是指两个楔形气囊堆叠在一起，且两个楔形气囊的内腔相通。通过对两列气囊进行充放气控制人体翻身，避免患者身体局部组织长时间受压，达到预防压疮的目的；双层楔锥形气囊穿插排列使得气囊护理床垫的空间布局更合理，床垫表面更加平整，气囊之间的耦合区域更大，能够提供更加有效的支撑。
30.本发明的一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法，包括以下步骤：
31.步骤1：在有限元仿真软件中建立实体模型，包括最小特征单元、重物和边界模型；
32.从气囊护理床垫构型中提取用于仿真的最小特征单元，根据最小特征单元的几何参数建立最小特征单元模型；由于双层楔形气囊的结构具有对称性，将楔形面接触的两个双层楔形气囊看作整体并沿对称面均分为两部分，每部分都为一个最小特征单元，故最小特征单元由一个双层楔形气囊的一半与另一个双层楔形气囊的一半耦合而成，将一个双层楔形气囊的一半和另一个双层楔形气囊的一半分别记为气囊单体一2和气囊单体二6，参见图2；重物用于模拟人体，人体躺在气囊护理床垫上相当于对气囊施加载荷，假定重物对气囊均匀施加载荷，故重物模型简化为长方体；边界是指气囊与其余结构的接触边界，包括气囊与床体的接触面以及气囊单体的剖分面，均为面接触，故在气囊与床体的接触面设置实体边界二4，气囊单体一2的剖分面设置实体边界一3，气囊单体二6的剖分面设置实体边界三5，实体边界均呈长方体。
33.步骤2：定义材料属性，对模型进行网格划分；
34.重物和边界的材料属性参数均包括密度、杨氏模量和泊松比；气囊采用橡胶类超弹性材料，采用yeoh模型获得材料属性参数，即yeoh模型中三个多项式的系数c10、c20和c30；在小变形情况下，c10代表初始剪切模量；由于第二多项式的系数c20为负，在中等变形
时可反映材料的软化现象；由于第三个多项式的系数c30为正，在大变形情况下可以描述材料的硬化现象，参见(燕山,王伟.橡胶类超弹性本构模型中材料参数的确定[j].橡胶工业,2014,61(08):453-457.)；
[0035]
对于气囊的材料属性参数，需要通过拉伸实验获得载荷与变形量这两种实验数据；根据国标gb/t1040.3-2006，在准静态环境中对试件进行单轴拉伸实验，获得不同载荷下试件的变形量；试件的长度大于等于150mm，宽度10mm～25mm，高度小于1mm；将实验数据代入有限元仿真软件中的超弹性材料本构模型(yeoh模型)中进行曲线拟合，得到c10、c20和c30三种材料属性参数。为了验证气囊材料属性参数的正确性，在有限元仿真软件中输入c10、c20和c30三种材料属性参数，对试件进行拉伸仿真，得到不同载荷下的变形量；仿真数据与实验数据的误差不超过5％。
[0036]
最小特征单元的网格采用四边形壳单元，网格尺寸为2～4mm；重物和边界的网格采用8节点六面体实体单元，网格尺寸为5～10mm。
[0037]
步骤3：模型装配与设置接触；
[0038]
将完成网格划分的最小特征单元、重物以及边界模型进行装配，调整各个模型的位置，使气囊单体一2和气囊单体二6位于同一水平面上且两者相互分离不接触，以模拟气囊充气之前的初始状态；重物与两个气囊单体均不接触；接触属性采用摩擦力表征，摩擦力的方向沿接触面的切线方向，摩擦系数均为0.3；模型之间的接触分为两种，一种是通用接触，应用于整个模型；另一种是面接触，用于两个气囊单体之间、重物与气囊单体、以及气囊单体与边界之间的接触。
[0039]
步骤4：设置边界条件；
[0040]
设置气囊单体的压力边界条件，即在气囊单体内施加气体压力，以模拟气囊在充放气过程中的空气力学行为；选择气囊单体的内表面作为气体压力的作用面，设置气体压力大小，方向为气体压力的作用面的法线方向；在气囊充气和放气过程中，气囊处于不封闭状态，视为气体可流入或流出，因此通过改变气体压力的大小反映气囊的充放气过程，气囊的充气过程用气体压力线性增加表征，气囊的放气过程用气体压力线性减小表征；当不对气囊单体设置压力边界条件，表明气囊处于封闭状态，认为气体不能流入或流出，即气囊单体内的气体压力不会主动变化，直到受到外力作用而被动变化；通过在气囊单体的剖分面上随机设置一个腔点，通过获取仿真过程中腔点的压力数据，即可得到气囊单体内的气体压力变化曲线；
[0041]
整个仿真过程包含三个仿真步，仿真步一用于模拟气囊充气过程，仿真步二用于模拟人体躺下的过程，仿真步三用于模拟人体翻身运动；在仿真步一中，将重物1、气囊单体一2、实体边界一3和实体边界二4的位置固定，即沿三个坐标轴的位移和绕三个坐标轴的旋转角度均为零；设置气囊单体二6和实体边界三5沿z轴负方向移动相同距离，移动的距离大小需要保证两个气囊单体剖分面的间距等于在护理床垫中的实际间距，同时设置两个气囊单体的气体压力线性增加，直至气囊单体的内压达到设定值(气囊充气完毕后的内压)；仿真步二在仿真步一的基础上进行，删除气囊单体的压力边界条件和重物1的位置固定约束，同时将实体边界一3、实体边界二4和实体边界三5的位置固定，设置两个气囊单体剖分面上的边界点沿z轴方向的位移为零，则这些边界点只能在x-y平面内移动，使气囊单体在充气和承压时仍具有完整双层楔形气囊的性能；重物基于惯性释放，在重力作用下下落至气囊
单体上并使气囊单体产生变形，直至气囊单体达到稳态；仿真步三在仿真步二的基础上进行，设置其中一个气囊单体的气体压力线性增大或减小至设定值，即人体翻身完成后气囊的内压，以模拟人体翻身过程中气囊护理床垫的状态变化；
[0042]
以气囊的高度方向为x轴，长度方向为y轴，宽度方向为z轴；边界条件都是针对两个气囊单体剖分面上的网格节点进行操作。
[0043]
步骤5：设置参数，并运行仿真，得到仿真数据；
[0044]
参数包括仿真时间、仿真步长和重物质量；仿真步一的仿真时长为2s，仿真步二和仿真步三的仿真时长均为4s或者更长，直至气囊单体达到稳态；仿真步长均为0.01s，在保证收敛的前提下也可以适当增加步长；气囊单体的目标内压是指仿真步一结束后气囊单体的内压，取值为106kpa～131kpa；重物质量为2.5kg～9kg，在重物体积确定的情况下，改变密度即可视为改变重物质量；
[0045]
仿真数据包括气囊单体的内压、各个网格节点的位移、应力等；
[0046]
定义人体与气囊的有效接触面积为气囊受到的载荷与气囊内压的比值，即：
[0047][0048]
其中，a
eff
为人体与气囊的有效接触面积；f为气囊受到的载荷，即重物对气囊单体施加的载荷；p为气囊内压；
[0049]
读取仿真步三中的人体与气囊的有效接触面积，得到有效接触面积曲线，曲线斜率即为有效接触面积变化率；若有效接触面积变化率大于等于阈值，则认为有效接触面积变化率大，表明人体与气囊的接触面积突变较大，增加了产生压疮的风险，因此在控制气囊护理床垫使人体翻身时，应避免人体体位停留在有效接触面积变化率大的位置；例如，有效接触面积变化率大的位置为人体右侧倾10
°
，则应控制气囊护理床垫避免停留在右侧倾10
°
的位置；在翻身过程中，经过有效接触面积变化率大的体位时，应当减缓充放气速度；
[0050]
翻身运动完成后，从气囊单体与重物接触区域内随机选取多个网格节点，获取这些网格节点的应力，若所有网格节点的应力均超过限定值，则表明人体相应部位产生压疮的风险增大，应调整人体体位。
[0051]
本发明未述及之处适用于现有技术。

技术特征：
1.一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法，床垫包括沿床垫长度方向的两列气囊，两列气囊均由多个双层楔形气囊紧密排列而成，同一排的两个双层楔形气囊的楔形面接触；双层楔形气囊由两个楔形气囊堆叠在一起，两个楔形气囊的内腔相通；其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、从床垫构型中提取用于仿真的最小特征单元，即将楔形面接触的两个双层楔形气囊看作整体并沿对称面均分为两部分，每部分都为一个最小特征单元，故最小特征单元由一个双层楔形气囊的一半与另一个双层楔形气囊的一半耦合而成，将一个双层楔形气囊的一半和另一个双层楔形气囊的一半分别记为气囊单体一和气囊单体二；在有限元仿真软件中建立实体模型，包括最小特征单元、重物和边界，重物用于模拟人体；步骤2、定义材料属性，并进行网格划分；重物和边界的材料属性参数均包括密度、杨氏模量和泊松比；由超弹性材料本构模型获得气囊材料的属性参数；最小特征单元的网格采用壳单元，重物和边界的网格采用实体单元；步骤3、模型装配与设置接触；接触分为通用接触和面接触，通用接触应用于整个模型，面接触用于两个气囊单体之间、重物与气囊单体、以及气囊单体与边界之间；步骤4：设置各个仿真步的边界条件；设置气囊单体的压力边界条件，即选择气囊单体的内表面作为气体压力的作用面，设置气体压力大小，方向为气体压力作用面的法线方向；整个仿真过程包含三个仿真步，仿真步一用于模拟气囊充气过程，仿真步二用于模拟人体躺下的过程，仿真步三用于模拟人体翻身运动；在仿真步一中，将重物、气囊单体一、实体边界一和实体边界二的位置固定，设置气囊单体二和实体边界三沿z轴负方向移动相同距离，使两个气囊单体剖分面的间距等于在护理床垫中的实际间距，同时设置两个气囊单体的气体压力增加，直至气囊单体的内压达到设定值；在仿真步二中，删除气囊单体的压力边界条件和重物的位置固定约束，将实体边界一、实体边界二和实体边界三的位置固定，设置两个气囊单体剖分面上的边界点沿z轴方向的位移为零；重物在重力作用下下落至气囊单体上并使气囊单体产生变形，直至气囊单体达到稳态；在仿真步三中，设置其中一个气囊单体的气体压力增大或减小至设定值；其中，以气囊的高度方向为x轴，长度方向为y轴，宽度方向为z轴；步骤5：设置参数，运行仿真，得到仿真数据；定义人体与气囊的有效接触面积为气囊受到的载荷与气囊内压的比值，获取仿真步三中人体与气囊的有效接触面积，得到有效接触面积曲线，曲线斜率即为有效接触面积变化率；若有效接触面积变化率大于等于阈值，则表明人体与气囊的接触面积突变较大，增加了产生压疮的风险，故在控制气囊护理床垫使人体翻身时，应避免人体体位停留在有效接触面积变化率大的位置；翻身运动完成后，从气囊单体与重物接触区域内随机选取多个网格节点，若这些网格节点的应力均超过限定值，则表明人体相应部位产生压疮的风险增大，应调整人体体位。2.根据权利要求1所述的阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法，其特征在于，在步骤2中，在准静态环境中对试件进行单轴拉伸实验，获得不同载荷下试件的变形量；将不同载荷下试件的变形量代入超弹性材料本构模型中进行曲线拟合，得到材料属性参数；超弹性材料本构模型采用yeoh模型。
3.根据权利要求1或2所述的阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法，其特征在于，在步骤2中，壳单元为四边形壳单元，网格尺寸为2～4mm；实体单元为8节点六面体实体单元，网格尺寸为5～10mm。

技术总结
本发明为一种阵列式楔形气囊护理床垫的动力学仿真方法，首先，从床垫构型中提取最小特征单元，并建立最小特征单元、重物和边界模型；定义材料属性，并进行网格划分；然后，模型装配与设置接触；设置各个仿真步的边界条件；最后，设置参数，运行仿真；仿真步一用于模拟气囊充气过程，仿真步二用于模拟人体躺下的过程，仿真步三用于模拟人体翻身运动。将气囊受到的载荷与气囊内压的比值定义为人体与气囊的有效接触面积，若有效接触面积变化率大于等于阈值，则表明人体与气囊的接触面积突变较大，增加了产生压疮的风险，故在控制气囊护理床垫使人体翻身时，应避免人体体位停留在有效接触面积变化率大的位置。通过仿真获得人体容易患压疮的体位和部位，为气囊护理床垫的控制和优化设计提供指导。和优化设计提供指导。和优化设计提供指导。


技术研发人员：刘腾 马鸿宇 李雨晴 孟凡超 孟垂舟 张建军 郭士杰
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12