CN117574741A - 一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，该方法包括：一、建立超声骨刀的初始三维模型，并确定超声骨刀所使用材料的材料属性；二、对超声骨刀的初始三维模型进行有限元分析，得到超声骨刀的初始三维模型的轴向振动模态频率；三、根据步骤二中的轴向振动模态频率对初始三维模型进行结构特征参数化建模，进行相关性和规律性分析；四、对初始三维模型进行尺寸优化和二次结构调整，得到的超声骨刀的优化三维模型。本发明基于有限元对超声骨刀进行分析，能够精准地对超出不同频率范围的超声骨刀进行二次结构加工调整使振动频率能够达到目标值，有效的提升超声骨刀加工的成品率。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其是涉及一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法。
背景技术
超声骨刀的工作原理是利用超声波发生器将电信号转换成高频振荡信号，然后再通过超声换能器将高频振荡信号转换为高频机械信号，即高频机械振动，并经过变幅杆的放大作用把机械振动的振幅放大，最后将放大的超声能量传递到超声骨刀刀头部分，进而通过接触生物组织来实现对病变组织切除和血管止血的功能，这是继影像诊断应用之后超声波在医学应用上又一新的突破，为超声波的应用提供了新的平台和思路。如果超声骨刀不在谐振频率工作或因其他因素产生偏移，大部分能量将消耗在内部发热上，造成切割困难、刀具温度升高，给手术造成困难。然而，超声刀的振动频率除了受材料密度和弹性常数的影响，还受超声骨刀结构参数的影响，但是往往由于加工精度的原因，造成部分超声刀实际的频率不在设计范围内，这些产品往往被作为废品处理，造成材料的浪费。因此能够精准地对超出不同频率范围的超声骨刀进行二次结构加工调整使振动频率能够达到目标值，有效的提升超声骨刀加工的成品率显得尤为必要。以往的修改主要是集中在刀头的刀刃和锯齿上面，但是锯齿结构复杂，存在修改难度大，修改空间有限，反复的加工可能会影响最终的使用性能，导致使用过程中出现疲劳断裂。综上，有必要开发一种基于有限元分析法对超声骨刀进行二次结构调整，已达到调整其频率的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，基于有限元对超声骨刀进行分析，能够精准地对超出不同频率范围的超声骨刀进行二次结构加工调整使振动频率能够达到目标值，有效的提升超声骨刀加工的成品率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、建立超声骨刀的初始三维模型，并确定超声骨刀所使用材料的材料属性：
步骤二、对超声骨刀的初始三维模型进行有限元分析，得到超声骨刀的初始三维模型的轴向振动模态频率：
步骤三、根据步骤二中的轴向振动模态频率对初始三维模型进行结构特征参数化建模，进行相关性和规律性分析；
步骤四、对初始三维模型进行尺寸优化和二次结构调整，得到的超声骨刀的优化三维模型。
上述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤一中，所述超声骨刀包括从左至右依次连接的手柄段、刀杆段、以及刀头，所述刀杆段包括与手柄段连接的第一刀杆、与所述刀头连接的第二刀杆、以及连接在所述第一刀杆和所述第二刀杆之间的第三刀杆。
上述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤一中，超声骨刀的材料属性包括超声骨刀所使用材料的材料密度和弹性常数。
上述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤三中，对所述超声骨刀的初始三维模型中的多个局部结构进行分析，设置局部结构的尺寸初始值和取值范围，分析对应尺寸下的模态振动频率，获得局部结构的尺寸对振动频率的影响规律和范围。
上述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤三中的具体过程为：通过有限元分析，得到所述超声骨刀的初始三维模型各局部结构的长度和轴向振动模态频率之间的关系，以长度为横坐标，轴向振动模态频率为纵坐标建立坐标系，将有限元分析中得到的初始三维模型各组成部分不同长度条件下，对应的轴向振动模态频率在坐标系中标出；根据坐标点之间的连线，分析长度和轴向振动模态频率之间的关系，得到对应的函数关系式。
上述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤四中，对初始三维模型尺寸进行优化和二次结构调整时，根据初始三维模型的各组成部分的目标轴向振动频率和实际轴向振动频率，利用步骤三中得到的函数关系式，得到对应的目标长度和实际长度，将目标长度和实际长度进行比较，并对实际长度进行修改和调整后，得到超声骨刀的优化三维模型。
本发明的有益效果是基于有限元对超声骨刀进行分析，能够精准地对超出不同频率范围的超声骨刀进行二次结构加工调整使振动频率能够达到目标值，有效的提升超声骨刀加工的成品率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明超声骨刀的结构示意图。
图3为本发明A段的结构参数与超声骨刀振动频率之间的关系示意图。
图4为本发明B段的结构参数与超声骨刀振动频率之间的关系示意图。
图5为本发明C段的结构参数与超声骨刀振动频率之间的关系示意图。
附图标记说明:
1—手柄段；2—刀头；3—第一刀杆；
4—第二刀杆；5—第三刀杆。
具体实施方式
如图1至图5所示的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、建立超声骨刀的初始三维模型，并确定超声骨刀所使用材料的材料属性：
步骤二、对超声骨刀的初始三维模型进行有限元分析，得到超声骨刀的初始三维模型的轴向振动模态频率：
步骤三、根据步骤二中的轴向振动模态频率对初始三维模型进行结构特征参数化建模，进行相关性和规律性分析；
步骤四、对初始三维模型进行尺寸优化和二次结构调整，得到的超声骨刀的优化三维模型。
本发明基于有限元对超声骨刀进行分析，能够精准地对超出不同频率范围的超声骨刀进行二次结构加工调整使振动频率能够达到目标值，有效的提升超声骨刀加工的成品率。
本实施例中，步骤一中，所述超声骨刀包括从左至右依次连接的手柄段1、刀杆段、以及刀头2，所述刀杆段包括与手柄段1连接的第一刀杆3、与所述刀头2连接的第二刀杆4、以及连接在所述第一刀杆3和所述第二刀杆4之间的第三刀杆5。
本实施例中，步骤一中，超声骨刀的材料属性包括超声骨刀所使用材料的材料密度和弹性常数。
本实施例中，步骤三中，对所述超声骨刀的初始三维模型中的多个局部结构进行分析，设置局部结构的尺寸初始值和取值范围，分析对应尺寸下的模态振动频率，获得局部结构的尺寸对振动频率的影响规律和范围。
本实施例中，在对所述超声骨刀的初始三维模型进行有限元分析时，通过设置局部结构的尺寸初始值和取值范围，分析对应尺寸下的模态振动频率；可确定多组局部结构的尺寸初始值和取值范围，针对每一组特征参数进行有限元分析，获得对应的模态振动频率，获得特征参数的变化对振动频率的影响规律和范围。
需要说明的是，本实施例中选取三段局部结构的尺寸进行分析说明，如图2所示，三段分别记为A段、B段和C段，通过有限元分析后，得到A段的结构参数与超声骨刀振动频率之间的函数关系呈类线性关系为;其中，/>为A段的振动频率；/>为A段的长度；
B段的结构参数与超声骨刀振动频率之间的函数关系呈类线性关系为；其中，/>为B段的振动频率；为B段的长度；
C段的结构参数与超声骨刀振动频率之间的函数关系呈类线性关系为；其中，为C段的振动频率；/>为C段的长度。
另外，超声骨刀的目标轴向振动频率为39000Hz，由于加工精度的原因导致实际尺寸为38500Hz，通过二次修改超声刀的A段尺寸减小1.9mm，或修改B段尺寸减少1.7mm，或修改C段的尺寸减少0.7mm。
本实施例中，步骤三中的具体过程为：通过有限元分析，得到所述超声骨刀的初始三维模型各局部结构的长度和轴向振动模态频率之间的关系，以长度为横坐标，轴向振动模态频率为纵坐标建立坐标系，将有限元分析中得到的初始三维模型各组成部分不同长度条件下，对应的轴向振动模态频率在坐标系中标出；根据坐标点之间的连线，分析长度和轴向振动模态频率之间的关系，得到对应的函数关系式。
步骤三中，利用有限元对所述超声骨刀的初始三维模型各组成部分的长度和轴向振动模态频率之间的关系进行分析前，需要设定所述超声骨刀的初始三维模型各组成部分的长度的初始值和取值范围，已获得所述超声骨刀的初始三维模型各组成部分的长度尺寸对超声骨刀频率的影响规律和调控范围。
本实施例中，步骤四中，对初始三维模型尺寸进行优化和二次结构调整时，根据初始三维模型的各组成部分的目标轴向振动频率和实际轴向振动频率，利用步骤三中得到的函数关系式，得到对应的目标长度和实际长度，将目标长度和实际长度进行比较，并对实际长度进行修改和调整后，得到超声骨刀的优化三维模型。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、建立超声骨刀的初始三维模型，并确定超声骨刀所使用材料的材料属性；
步骤二、对超声骨刀的初始三维模型进行有限元分析，得到超声骨刀的初始三维模型的轴向振动模态频率；
步骤三、根据步骤二中的轴向振动模态频率对初始三维模型进行结构特征参数化建模，进行相关性和规律性分析；
步骤四、对初始三维模型进行尺寸优化和二次结构调整，得到的超声骨刀的优化三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤一中，所述超声骨刀包括从左至右依次连接的手柄段（1）、刀杆段、以及刀头（2），所述刀杆段包括与手柄段（1）连接的第一刀杆（3）、与所述刀头（2）连接的第二刀杆（4）、以及连接在所述第一刀杆（3）和所述第二刀杆（4）之间的第三刀杆（5）。
3.根据权利要求1所述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤一中，超声骨刀的材料属性包括超声骨刀所使用材料的材料密度和弹性常数。
4.根据权利要求1所述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤三中，对所述超声骨刀的初始三维模型中的多个局部结构进行分析，设置局部结构的尺寸初始值和取值范围，分析对应尺寸下的模态振动频率，获得局部结构的尺寸对振动频率的影响规律和范围。
5.根据权利要求4所述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤三中的具体过程为：通过有限元分析，得到所述超声骨刀的初始三维模型各局部结构的长度和轴向振动模态频率之间的关系，以长度为横坐标，轴向振动模态频率为纵坐标建立坐标系，将有限元分析中得到的初始三维模型各组成部分不同长度条件下，对应的轴向振动模态频率在坐标系中标出；根据坐标点之间的连线，分析长度和轴向振动模态频率之间的关系，得到对应的函数关系式。
6.根据权利要求4所述的一种有限元分析下二次结构调整超声骨刀频率的方法，其特征在于：步骤四中，对初始三维模型尺寸进行优化和二次结构调整时，根据初始三维模型的各组成部分的目标轴向振动频率和实际轴向振动频率，利用步骤三中得到的函数关系式，得到对应的目标长度和实际长度，将目标长度和实际长度进行比较，并对实际长度进行修改和调整后，得到超声骨刀的优化三维模型。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104318007A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-28 | 西北工业大学 | 基于模态分析的超声切削刀具设计方法 |
| WO2016141725A1 (zh) * | 2015-03-12 | 2016-09-15 | 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 | 高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置及其方法 |
| CN109829225A (zh) * | 2019-01-25 | 2019-05-31 | 上海理工大学 | 机械结构固有振动频率的提升方法 |
| CN110598366A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-20 | 清华大学 | 纵-扭复合振动式超声变幅杆基于频率耦合的设计方法 |
| CN110779611A (zh) * | 2019-05-24 | 2020-02-11 | 南京航空航天大学 | 一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统 |
| CN115438533A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-12-06 | 东北大学 | 基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法 |
| WO2022262207A1 (zh) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | 科益展智能装备有限公司 | 一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床 |
| CN117137585A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-12-01 | 桐惠(杭州)医疗科技有限公司 | 低频脉冲与高频振动叠加的超声骨刀控制系统 |
-
2024
- 2024-01-17 CN CN202410063873.0A patent/CN117574741B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104318007A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-28 | 西北工业大学 | 基于模态分析的超声切削刀具设计方法 |
| WO2016141725A1 (zh) * | 2015-03-12 | 2016-09-15 | 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 | 高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置及其方法 |
| CN109829225A (zh) * | 2019-01-25 | 2019-05-31 | 上海理工大学 | 机械结构固有振动频率的提升方法 |
| CN110779611A (zh) * | 2019-05-24 | 2020-02-11 | 南京航空航天大学 | 一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统 |
| CN110598366A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-20 | 清华大学 | 纵-扭复合振动式超声变幅杆基于频率耦合的设计方法 |
| WO2022262207A1 (zh) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | 科益展智能装备有限公司 | 一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床 |
| CN115438533A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-12-06 | 东北大学 | 基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法 |
| CN117137585A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-12-01 | 桐惠(杭州)医疗科技有限公司 | 低频脉冲与高频振动叠加的超声骨刀控制系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘子豪;孙春生;蔡晨需;张勤河;: "面向人体骨切削的超声骨刀整体设计与仿真分析", 生物医学工程研究, no. 01, 25 March 2020 (2020-03-25) * |
| 索建军;王彤宇;王小毓;: "超声手术刀振动特性分析", 长春理工大学学报(自然科学版), no. 02, 15 April 2017 (2017-04-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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