1. 引言

瘢痕疙瘩是一种皮肤纤维增生性疾病，影响4.5%~16%的人群，瘢痕的形成不仅影响外观，还可能导致功能障碍和心理负担[1]-[3]。由于瘢痕形成的发生率和复发率高，瘢痕形成的治疗长期以来一直是一个问题。尽管有许多现有的治疗疗法，但疗效仍然不稳定[4]。传统的瘢痕治疗方法如激光治疗、外科手术及药物治疗等，在去除瘢痕的同时往往伴随有一定的副作用，如二次创伤或治疗效果不稳定。因此，寻找一种既能有效去除瘢痕又能最大限度减少周围健康组织损伤的治疗方法成为临床研究的热点。

环钻作为一种精密的切削工具，近年来在瘢痕治疗领域引起了广泛关注。其独特的环形钻头设计使得切削过程更为精准，能够有效去除瘢痕组织的同时，减少对正常皮肤的伤害[5]。国内外已有研究探讨了环钻在瘢痕修复中的应用。例如，一些临床研究表明，环钻在治疗瘢痕疙瘩和增生性瘢痕方面，比传统的手术切除法更具优势，能够在更短时间内达到更理想的修复效果[6] [7]。然而，目前关于电动环钻的研究仍较为初步，尤其是在其有限元分析与优化设计方面的研究较为匮乏。本研究旨在通过ANSYS Workbench进行电动环钻中的轴的有限元分析，探讨其在瘢痕去除过程中的力学特性，为环钻的设计与应用提供理论支持，并推动其在瘢痕修复中的临床应用。

2. 建模及有限元仿真分析

2.1. 环钻输出轴的建模

采用SolidWorks软件对环钻进行建模，模型如图1所示，有限元分析软件为ANSYS。将模型导入到ANSYS软件中进行后续的静力学模态仿真分析。环钻轴的材料选择结构钢。结构钢材料相关的力学属性如表1所示。

Table 1. Material-related parameters of the ring drill shaft

表1. 环钻轴材料相关参数

Figure 1. Three-dimensional schematic diagram of the ring drill shaft

图1. 环钻轴三维示意图

2.2. 网格划分

根据2.1节中的材料参数属性，设置相应的材料参数。并进行网格划分，共生成13,469个节点，8477个单元，如图2所示。

Figure 2. Schematic diagram of ring drill axis meshing

图2. 环钻轴网格划分示意图

3. 模态分析

通过ANSYS WORKBENCH软件对轴的前六阶模态进行计算，进而研究其固有频率对应的应力与应变特性。图3~8展示了模态分析的计算结果示意图。相关频率计算结果如表2所示。

Figure 3. First mode shape diagram

图3. 一阶变形图

Figure 4. Second mode shape diagram

图4. 二阶变形图

Figure 5. Third mode shape diagram

图5. 三阶变形图

Figure 6. Fourth mode shape diagram

图6. 四阶变形图

Figure 7. Fifth mode shape diagram

图7. 五阶变形图

Figure 8. Sixth mode shape diagram

图8. 六阶变形图

Table 2. Modal frequencies related to Ring Drill Shaft

表2. 环钻轴相关模态频率

具体结果显示，一阶模态频率为24,324 Hz，二阶模态频率为24,351 Hz，三阶模态频率为59,711 Hz，四阶模态频率为59,730 Hz，五阶模态频率为61,508 Hz，六阶模态频率为81,393 Hz。这些数据揭示了轴在不同模态下的振动特性，频率随模态阶数的增加呈现上升趋势，表明高阶模态下轴的振动形态更加复杂。

4. 环钻轴的静力学分析

本文将通过ANSYS平台，对环钻在不同工况下的力学响应特征进行探讨，这有助于实现轻量化设计，同时保证其稳定性与耐久性。此外，静力学分析以其高效且经济的特点，有助于降低研发成本与时间，加速从设计到市场的转化。因此，在环钻的设计过程中，充分利用静力学分析的优势，对提高产品安全性和可靠性至关重要。

4.1. 轴扭矩计算

已知环钻的转速是1000~35000转每分，功率为30W，带入方式(1)和公式(2)可计算出扭矩

$\begin{array}{c}\text{P}=\text{T}\cdot \omega \end{array}$ (1)

$\begin{array}{c}\omega =\frac{2\text{π}\cdot \text{n}}{60}\end{array}$ (2)

式中P是功率(W)，T是扭矩(N∙m)，ω是角速度(rad/s)，n是转速(转每分)。

本次分析取最小转速1000转每分和最大转速为35,000转每分，经计算可知扭矩为0.286，0.0082 (N∙m)。

4.2. 静力学分析

在ANSYS Workbench中进行静力学分析的过程中，第一步是精确定义边界条件和施加载荷，这是确保分析结果符合实际工况的关键环节。首先，在轴尾端施加扭矩，该模拟了环钻轴在旋转过程中施加在轴上的扭矩，从而能够有效评估轴在受力状态下的应力分布与变形情况。与此同时，为了真实模拟轴与针头的连接状态，针对轴孔施加固定支撑条件。这种边界条件的定义使得模拟更加接近于实际环钻运行中的受力情况，有助于精确分析环钻在静态载荷下的力学行为及其安全性能。通过这种边界条件与施加载荷的合理设定，能够更好地评估环钻在工作过程中的应力集中点和潜在的薄弱环节。

由ANSYS分析可得，在预定扭矩为0.286 N∙m/0.0082 N∙m时，轴的最大变形为1.0125 × e⁻⁶ mm/2.9029 × e⁻⁸ mm，位于轴尾端位置。总体来看，在该扭矩作用下产生的变形量较小，说明该轴结构设计的刚度符合要求。具体总应变分析图如图9所示。

(a) 环钻轴总变形分析图(0.286 N∙m)

(b) 环钻轴总变形分析图(0.0082 N∙m)

Figure 9. Ring drill shaft strain map

图9. 环钻轴应变云图

由ANSYS分析得到的等效应力分布结果可以看出，应力最大值分布在十字轴部位，扭矩为0.286 N∙m时其最大应力值为0.17176 MPa，最小应力值7.8215 × e⁻⁶ MPa，而扭矩为0.0082 N时最大应力值为4.9245 × e⁻³ MPa，最小应力值2.2425 × e⁻⁷ MPa，最大应变值也是在十字轴处，所以在环钻维护工作时要多注意这个部位，具体应力分析图如图10所示。

(a) 环钻轴等效应力分析图(0.286 N∙m)

(b) 环钻轴等效应力分析图(0.0082 N∙m)

Figure 10. Ring drill shaft equivalent stress Map

图10. 环钻轴等效应力云图

由ANSYS分析得到的应变强度分布结果可以看出，扭矩为0.286 N∙m时其最大应变强度值为1.2891e⁻⁶ mm/mm，最小应变强度值为5.72 × e⁻¹¹ mm/mm，扭矩为0.0082 N时其最大应变强度值为3.6961 × e⁻⁸ mm/mm，最小应变强度值为1.64 × e⁻¹² mm/mm。根据查阅相关资料可知，结构钢作为环钻轴材料时，其弹性应变强度满足其强度要求，具体弹性强度分析图如图11所示。

(a) 环钻轴弹性应变强度分析图(0.286 N∙m)

(b) 环钻轴弹性应变强度分析图(0.0082 N∙m)

Figure 11. Ring drill shaft equivalent stress Map

图11. 环钻轴弹性应变强度云图

5. 结论

本文通过对环钻轴进行详尽的有限元分析，系统地评估了其模态特性和静力学性能，前六阶固有频率在24,000~82,000 Hz以内，环钻轴在设计转速范围内的扭矩作用下，环钻轴的最大应力值分布在十字轴部位，且变形量小，结构设计的刚度满足要求。未来的研究可以进一步探讨环钻在不同临床应用中的性能，以及如何通过材料和设计优化来提高其效率和安全性。

参考文献