一种变距双面牙刷的模拟方法
阅读说明：本技术 一种变距双面牙刷的模拟方法 (Simulation method of variable-pitch double-sided toothbrush ) 是由 张驰 田欣 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于牙刷领域,具体涉及一种变距双面牙刷的模拟方法,其特征在于,包括以下步骤：步骤一,建立伪刚体模型模块；步骤二,建立伪刚体模型模块的输入输出位移方程；步骤三,构建仿真模型模块；步骤四,加工实物结构；步骤五,将伪刚体模型模块、仿真模型模块模拟并对比验证；或伪刚体模型模块、实物结构拟并对比验证；或仿真模型模块、实物结构模拟并对比验证；或伪刚体模型模块、仿真模型模块、实物结构模拟并对比验证。本发明实物结构开发过程高效、开发过程和验证能够同时完成,且实物结构能够实现双面牙刷两刷面间距离可变、活动刷头可伸缩。(The invention belongs to the field of toothbrushes, and particularly relates to a method for simulating a variable-pitch double-sided toothbrush, which is characterized by comprising the following steps of: step one, establishing a pseudo rigid body model module; establishing an input and output displacement equation of the pseudo rigid body model module; step three, constructing a simulation model module; step four, processing a real object structure; simulating the pseudo rigid body model module and the simulation model module, and comparing and verifying; or simulating a pseudo rigid body model module and a real object structure and comparing and verifying; or simulating the model module and the physical structure and comparing and verifying; or simulating and comparing and verifying the structures of the pseudo-rigid model module, the simulation model module and the real object. The object structure has high efficiency in the development process, and the development process and the verification can be completed simultaneously, and the object structure can realize the variable distance between two brush surfaces of the double-sided toothbrush and the telescopic movable brush head.)
技术领域
本发明属于牙刷领域，具体涉及一种变距双面牙刷的模拟方法。
背景技术
传统机构是由刚性构件以运动副连接而成。有很多缺点，如由惯性引起的振动、由运动副带来的间隙、摩擦、磨损及润滑，由机械结构决定的加工、安装误差等。而柔顺机构(也称为柔性机构，英文名为compliant mechanism)主要依靠机构中柔性构建的弹性变形实现机构的主要功能，具有尺寸小，灵敏度高，加工简单方便，无摩擦磨损、造价低等优点，因此广泛应用于精密定位和MEMS等领域。
牙刷的种类从牙刷结构类型上可分为单面牙刷，双面牙刷和电动牙刷等。其中我们生活中最常用的是单面牙刷，这种牙刷使用方便价格实惠，但是很难刷到牙齿的内表面却；现有的双面牙刷由于其结构上的一些缺陷，使用起来不是很方便，在使用中有很多不便所以不是很常用；电动牙刷价格昂贵，不能被很多人接受，而且使用条件苛刻，故不能得到很好的推广；
具体来说，目前日常所使用的单面牙刷无法实现牙齿内外表层的双向清洁，双面牙刷的结构设计不可调节、缺乏弹性和灵活性，难以适应不同口腔大小，双面牙刷面不是夹的过紧，就是间距过大无法清除口腔牙齿污渍，不便于应用，而电动牙刷的转速过高，对牙齿有一定的磨损，且造价较高；因此一种价格实惠、使用方便、功能全面的牙刷就成为人们追求的目标。
然而直接实施制造的实物改进，结构改进的过程、步骤复杂，要耗费大量的人力和物力。因此，本发明变距双面牙刷的模拟方法，应用于日常生活中的牙刷结构的改进为目的，能够设计出一种新型的双面可变距牙刷，将可变距应用与牙刷结构的设计，既解决了牙刷结构过于复杂且成本过高的问题，由可以弥补现有单面牙刷和双面牙刷功能上的缺陷，也节省了大量的人力、物力、且改进的过程简化，将开发和验证同时完成。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够实现双面牙刷两刷面间距离可变、头部可伸缩的实物结构、实物结构开发过程高效、开发过程和验证能够同时完成的变距双面牙刷的模拟方法。
本发明的技术方案为：
一种变距双面牙刷的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，建立伪刚体模型模块；
步骤二，建立伪刚体模型模块的输入输出位移方程；
步骤三，(可以为在有限元分析的基础上)构建仿真模型模块；
步骤四，加工实物结构；
步骤五，将伪刚体模型模块、仿真模型模块模拟并对比验证；或伪刚体模型模块、实物结构模拟并对比验证；或仿真模型模块、实物结构模拟并对比验证；或伪刚体模型模块、仿真模型模块、实物结构模拟并对比验证。
进一步地，步骤二，建立伪刚体模型模块的输入输出位移方程是依据弹性力学和Bernoulli-Euler假设。
进一步地，步骤四，采用精雕技术加工实物结构；对所选板材进行加工制造，选用小半径的刀具进行加工(以提高工件表层质量，避免引起表面细纹和应力集中等缺陷，从而大大提高了机构的使用寿命)。
进一步地，步骤五中，模拟不同节点上不同载荷对变距部件位移幅度、变形的影响(在对单元类型、实常数、材料特性、横截面类型和单元坐标系等基本属性的确定的基础上，模拟不同节点上不同载荷对机构位移幅度、变形情况的影响)。
进一步地，实物结构包括：
刷柄(1)，刷柄(1)的一端设置固定刷头(2)；
变距部件(5)，在刷柄(1)和固定刷头(2)中设置变距部件(5)，变距部件(5)能够带动活动刷头(6)伸缩；
刷毛(4)，固定刷头(2)和活动刷头(6)上分别设置刷毛(4)。
进一步地，刷柄(1)上设置刷柄空孔(1-1)，变距部件(5)按压部分能够露出刷柄空孔(1-1)。
进一步地，固定刷头(2)内部设置固定刷头孔(2-1)，活动刷头(6)能够在固定刷头孔(2-1)方向上被变距部件(5)带动伸缩。
进一步地，活动刷头(6)与刷柄盖(3)能够拆卸扣合相连。
进一步地，变距部件(5)包括第一变距部件(5-1)、第二变距部件(5-2)、第三变距部件(5-3)、第四变距部件(4-4)，第一变距部件(5-1)、第二变距部件(5-2)、第三变距部件(5-3)、第四变距部件(4-4)设置在刷柄(1)；第一变距部件(5-1)和第二变距部件(5-2)铰接，第二变距部件(5-2)和第三变距部件(5-3)铰接，第三变距部件(5-3)和第四变距部件(5-4)铰接，变距部件(5)按压部分包括第二变距部件(5-2)和第三变距部件(5-3)，第二变距部件(5-2)和第三变距部件(5-3)能够露出刷柄空孔(1-1)。第一变距部件(5-1)另一端通过弹簧(5-7)与刷柄(1)内部端壁相连。
进一步地，变距部件(5)包括第五变距部件(5-5)和第六变距部件(5-6)，第四变距部件(5-4)和第五变距部件(5-5)铰接，第五变距部件(5-5)和第六变距部件(5-6)铰接，第六变距部件(5-6)和活动刷头(6)相连。第六变距部件(5-6)能够在固定刷头孔(2-1)方向上伸缩。固定刷头(2)内部设置有供第五变距部件(5-5)移动的空间。
进一步地，第六变距部件(5-6)和活动刷头(6)拆卸相连。第六变距部件(5-6)为弹性材料。
进一步地，包括壳套，壳套能够将固定刷头和活动刷头装入。
本发明的有益效果：
1、通过伪刚体模型模块与仿真模型模块的双重工况模拟：所述通过对伪刚体模型模块与仿真模型模块的不同参数对比分析，实现了机构参数的优化设计，同时识别了影响机构使用效率、使用寿命的基本因素，通过参数优化提高工件的性能和寿命，本发明通过特定的方法模拟实现了变距牙刷的产品性能的优化，实物结构开发过程高效、开发过程和验证能够同时完成。
2、本发明的实物结构一面刷毛为固定，一面刷毛为可动，且该牙刷两刷毛之间的距离可以变化以适应人体牙齿形状大小不同的特征。变距部件能够实现双面牙刷两刷面间距离可变、头部可伸缩的功能，本发明具有加工便利、实用性强和造价低的特征。由于活动刷头可以替换，使用者根据实际需要能够替换活动刷头、刷柄盖从而更换，便于清洁和延长牙刷使用期限，更好的清楚牙齿内侧的残垢。
附图说明
图1为本发明的伪刚体模型模块示意图；
图2为本发明的牙刷未按下整体结构模型示意图；
图3为本发明的牙刷按下整体结构模型示意图；
图4为本发明中变距部件未按下时的示意图；
图5为本发明中变距部件按下时的示意图；
图6为本发明刷牙时模型的示意图；
其中，1：刷柄，1-1：刷柄空孔，2：固定刷头，2-1：固定刷头孔，3：刷柄盖，4：刷毛，5：变距部件，5-1：第一变距部件，5-2：第二变距部件，5-3：第三变距部件，5-4：第四变距部件，5-5：第五变距部件，5-6：第六变距部件，5-7：弹簧，6：活动刷头，6-1：锁扣部，7：牙齿。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种变距双面牙刷的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，建立伪刚体模型模块；
步骤二，建立伪刚体模型模块的输入输出位移方程；
步骤三，(可以为在有限元分析的基础上)构建仿真模型模块；
步骤四，加工实物结构；
步骤五，将伪刚体模型模块、仿真模型模块模拟并对比验证；或伪刚体模型模块、实物结构模拟并对比验证；或仿真模型模块、实物结构模拟并对比验证；或伪刚体模型模块、仿真模型模块、实物结构模拟并对比验证。
进一步地，步骤二，建立伪刚体模型模块的输入输出位移方程是依据弹性力学和Bernoulli-Euler假设。
进一步地，步骤四，采用精雕技术加工实物结构；对所选板材进行加工制造，选用小半径的刀具进行加工(以提高工件表层质量，避免引起表面细纹和应力集中等缺陷，从而大大提高了机构的使用寿命)。
进一步地，步骤五中，模拟不同节点上不同载荷对变距部件位移幅度、变形的影响(在对单元类型、实常数、材料特性、横截面类型和单元坐标系等基本属性的确定的基础上，模拟不同节点上不同载荷对机构位移幅度、变形情况的影响)。
根据人牙齿的形状厚度，一个人的各个牙齿中最薄的门牙厚度约2-4mm，最厚的槽牙厚度约6-8mm，因此设计双面可变距牙刷两刷毛间的初始距离为4mm，最大工作距离为9-10mm，所以可动刷面的移动距离为5-6mm。取活动刷头移动方向的位移作为研究对象，设计当输入力达到一定值时，若位移为5-6mm，则就达到了设计目标。基于以上的设计目标，依据具体的应用和加工情况。设计了变距双面牙刷的变距部件的各个部分的结构及尺寸、各项参数，变距部件如图4-5所示。
应用三维造型软件(如Inventor或其他三维软件)对双面可变距牙刷及其各个部分进行整体的三维实体造型，双面可变距牙刷三维模型如图2所示。活动刷头与刷柄的外形仿照普通单面牙刷的结构设计，内部结构根据可变机构的形状尺寸设计。刷毛分为两部分，一部分是贴附在处于刷柄一端的固定刷头上的外刷毛，用于清理牙齿的外表面，刷毛布置仿照普通单面牙刷，一部分是贴附在活动刷头上的内刷毛，根据牙槽形状以及牙齿的大小分布设计内刷毛的布置情况。
活动刷头设置在变距部件的一端，变距部件一面连接活动刷头，另一面连接刷柄(即固定刷头)上，主要用途是连接刷柄与活动刷头，在变距机构作用时起到伸缩的功能，并且起到密封作用。为完善设计，在建立双面可变距牙刷整体三维实体模型的同时，按照人体口腔内部牙齿大小、布局和形状，建立牙齿整体结构三维实体示意模型。通过口腔牙齿模型与双面可变距牙刷刷头变距的对比，来虚拟双面可变距牙刷的变距功能是否符合应用实际，口腔牙齿模型与双面可变距牙刷对比如图6所示。
采用说明书中方法对伪刚体模型模块进行不同应力的模拟，得到载荷F发生变化时，杆2的转角θ2，以及各滑块的位移。利用MATLAB计算，即得到输入力F不同时θ2的变化情况以及滑块4、滑块6的位移。为实现在适当大小的力的作用下实现机构中滑块6的最大位移在5-6mm范围内，并且保证机构具有适当的使用寿命，本文最终选择θ20＝60°如附图1所示。
由于本设计完成后进行加工制造(未示出)，依据加工中心实际条件，按照平面精雕加工基本流程进行制造，采用加工材料ABS塑料厚度为b＝3mm的板材进行平面精雕加工，变距部件各个部分厚度均为ABS塑料板材的厚度。
通过伪刚体模型模块与仿真模型模块的双重模拟结果的对比发现，两种模型的参数曲线都相对吻合，可初步验证理论建模和仿真分析的正确性。
伪刚体(理论)模型计算结果Δθ，伪刚体(理论)模型计算误差范围为9.170％～-5％，伪刚体(理论)模型计算结果Δx1误差范围为14.29％～-5.26％，伪刚体(理论)模计算结果Δy1误差范围为6.25％～-2.78％；仿真模型模块结果Δx2误差范围为28.03％～-2.02％，仿真模型模块结果Δy2误差范围为6.00％～-3.12％。以上误差除伪刚体(理论)模型计算结果Δx1误差较大以外，其他误差均在合理范围内，说明理论模型分析是正确的。
通过对模拟加工试件的工作情况，相当于每天早晚运行2个阶段，每个阶段对试件进行目标运动的试验，使试件活动滑块6的位移达到5-6mm之间，重复40次。通过不断反复试验可以获知该试件的工作寿命约为65-85天之间，按照人们使用牙刷一般两个月即60天左右更换一次的习惯，证明该机构满足实际的寿命要求，进一步证明了机构的结构设计和理论分析的合理性。
实物结构包括：
刷柄(1)，刷柄(1)的一端设置固定刷头(2)；
变距部件(5)，在刷柄(1)和固定刷头(2)中设置变距部件(5)，变距部件(5)能够带动活动刷头(6)伸缩；
刷毛(4)，固定刷头(2)和活动刷头(6)上分别设置刷毛(4)。
进一步地，刷柄(1)上设置刷柄空孔(1-1)，变距部件(5)按压部分能够露出刷柄空孔(1-1)。固定刷头(2)内部设置固定刷头孔(2-1)，活动刷头(6)能够在固定刷头孔(2-1)方向上被变距部件(5)带动伸缩。活动刷头(6)与刷柄盖(3)能够拆卸扣合相连。
进一步地，变距部件(5)包括第一变距部件(5-1)、第二变距部件(5-2)、第三变距部件(5-3)、第四变距部件(4-4)，第一变距部件(5-1)、第二变距部件(5-2)、第三变距部件(5-3)、第四变距部件(4-4)设置在刷柄(1)；第一变距部件(5-1)和第二变距部件(5-2)铰接，第二变距部件(5-2)和第三变距部件(5-3)铰接，第三变距部件(5-3)和第四变距部件(5-4)铰接，变距部件(5)按压部分包括第二变距部件(5-2)和第三变距部件(5-3)，第二变距部件(5-2)和第三变距部件(5-3)能够露出刷柄空孔(1-1)。第一变距部件(5-1)另一端通过弹簧(5-7)与刷柄(1)内部端壁相连。
进一步地，变距部件(5)包括第五变距部件(5-5)和第六变距部件(5-6)，第四变距部件(5-4)和第五变距部件(5-5)铰接，第五变距部件(5-5)和第六变距部件(5-6)铰接，第六变距部件(5-6)和活动刷头(6)相连。第六变距部件(5-6)能够在固定刷头孔(2-1)方向上伸缩。固定刷头(2)内部设置有供第五变距部件(5-5)移动的空间。第六变距部件(5-6)和活动刷头(6)拆卸相连。第六变距部件(5-6)为弹性材料。包括壳套，壳套能够将固定刷头和活动刷头装入。
本发明根据人体口腔结构，以牙齿内、外表面的双重清洁为目标确定变距部件的可变结构及尺寸，通过反复模拟，使所设计的双面牙刷既能实现以上目标又符合口腔结构；模型加工，采用平面精雕及小口径加工技术优化性能及美化外观，研发效率高、能够快速找出伸缩具体尺寸、实物结构制造过程中能够完成研发和验证的同步。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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