髋关节试验机中3SPS+1PS并联机构有限元分析

　　0 引言

　　人的关节既传递载荷又传递运动，是十分奇妙和性能优异的生物摩擦润滑系统，其摩擦系数极小且几乎无磨损。据统计，全世界每年约有 80万人进行人工髋关节置换[1]。在评价人工关节副材料的摩擦磨损特性以及验证理论计算结果与实际的吻合程度时往往需要进行摩擦学试验，而摩擦学试验的结果在很大程度上受试验设备的影响。传统的髋关节试验机均采用串联模块，不能真实反映实际髋关节的工况。

　　相对于串联模块，存在另一种机构形式，即并联模块[2]。髋关节试验机中并联模块除了要求具有良好的可靠性、一定的工作空间外，其整体结构还必须具有抵抗载荷的变形能力以及良好的动态特性。利用有限元法，借助计算机能够解决许多工程问题，而且计算结果经实验证明是非常准确的。本试验机采用 3SPS+1PS 并联机构作为核心部分，首先采用 UG 建立了机构的实体模型，然后利用 ANSYS 进行了静力、模态分析，确定机构的应力应变、固有频率和振型，为髋关节试验机在精度保持、运行可靠、结构及动态特性优化等方面提供理论基础。

　　1 3SPS+1PS并联机构

　　髋关节试验机以人体关节构型为基础，从结构仿生、运动仿生和功能仿生角度出发，以 4 自由度并联机构代替人体髋关节，以三个主动支链实现人腿肌肉群的驱动功能，一个承载支链实现主动伸缩，方便试件的安装、拆卸以及试件中心的调高，同时起到提高机构整体刚度的作用。由于并联模块可实现多种运动轨迹以及动力加载的模拟，可使其输出空间的形状、位置完全覆盖人体股骨腿杆的实际运动范围。

　　髋关节摩擦磨损试验机中的3SPS+1PS 并联机构，由定平台、动平台、主动支链和承载支链四部分组成，其中定、动平台为圆形，四周分布三条相同的主动支链，自上而下包括 1 个S 副、1 个P 副、1 个S 副;中间为承载支链，自上而下包括1 个S 副、1 个P 副，如图1 所示。

　　2 有限元模型的建立

　　在将模型导入 ANSYS 之前，对其进行适当的简化。简化过程既要使分析对象尽量简单便于计算，又要确保原始对象主要结构力学性能不变[3]。

　　1)单元类型：模型划分采用 SOLID92 单元，该单元是具有 10 节点的四面体结构实体单元，适用于不规则模型的网格划分，尤其适于通过其他CAD 软件生成的模型。

　　2)材料属性：由于机构比较复杂，简化为三种材料，材料属性参数如表1 所示。

　　3)网格划分：由于并联机构结构的复杂性，根据不同部件的复杂程度和重要性采取不同的网格划分精度。