颅骨和硬脑膜随颅内压变化的粘弹性有限元分析

目的颅内压对神经外科危重患者的手术时机起决定性作用,其测量方法的简单性、准确性、对患者较小创伤性都是神经外科临床和科研的重要研究方向。方法提出一种通过测量颅骨应变可获得颅内压变化量的新思路,利用有限元软件ANSYS的粘弹性模型,对人体颅骨和硬脑膜随颅内压变化的相应应变进行了分析计算;分别建立了模拟颅腔的三维空心薄壳有限元模型,颅骨和硬脑膜的粘弹性模型;同时通过有限元软件分考虑与不考虑粘弹特性两种情况,对颅骨和硬脑膜随颅内压变化的应变进行对比。结果考虑与不考虑粘弹性的颅骨和硬脑膜应变误差在14%左右,而颅骨和硬脑膜的粘性应变占总应变的40%。结论通过在颅骨外表面粘贴应变片可以获得颅内压的变化量,微创颅内压应变电测法理论上可行,为进一步的临床应用提供了理论基础。

颅内压变化引起的颅骨表面应变分析

成年人顶部的正常颅内压平均值约为3·62kPa,颅内压波动2·5kPa左右时,颅内压轻度异常;当波动值达到3·5kPa左右时,出现脑震荡的症状;当波动值达到5kPa或更高时,人头颈部达到危重度伤.本文在颅内压正常波动值范围内,通过有限元MSC-PATRAN/NASTRAN软件分析了颅骨三层复合结构以及颅骨与硬脑膜组成的四层复合结构的表面应力和应变;同时,随颅内压变化进行了猪颅骨片,以及模拟人体颅脑真实受力的人颅骨和猪颅骨球冠应变实验.分析结果表明:当颅内压轻度异常时颅骨外表面产生的应变约为1·5×10-6,脑部出现脑震荡的症状时颅骨外表面产生的应变约为2·5×10-6,头颈部达到危重度伤时颅骨外表面产生的应变约为4×10-6.因此,随颅内压的变化颅骨外表面的应变是可测的,且在仪器检测范围内;本文所提出的微创颅内压应变电测法是可行的,即在颅骨外表面粘贴应变片,随颅内压的变化测颅骨应变,通过计算机进行数据处理获得颅内压变化量的方法.与临床上测量颅内压时钻孔或穿刺等方法比较,应变电测颅内压法对患者造成的损伤很小,属于微创或无创范围,具有安全易操作、减少感染、对患者创伤小、可长期测量等特点.

粘弹性颅骨和硬脑膜的有限元应变分析

人颅骨和硬脑膜都具有粘弹特性,本文利用有限元软件ANSYS的粘弹性观点,对人体颅骨和硬脑膜随颅内压变化的变形进行了分析,通过有限元软件ANSYS计算三维空心薄壳颅腔随颅内压变化的相应应变.建立了颅骨和硬脑膜的粘弹性模型,结果表明:颅骨和硬脑膜的粘性应变平均约占总应变的40%,弹性应变占总应变的60%.

半封闭热泵干燥系统的热力学分析与试验

为实现谷物干燥装置的车载移动功能,必须通过提高设备性能来实现装置小型化,为此,基于前期谷物干燥试验和理论研究,设计出一种半封闭热泵流化床谷物干燥系统。该系统采用蒸汽压缩式热泵(热泵工质为R134a)提供热量, 以卧式多室流化床为干燥器,让热泵蒸发器回收流化床前段排气中水蒸气潜热,鼓入环境状态的新风以回收干燥后物料的热量。针对该系统建立了集流化床内的流动、颗粒传热传质、床层干燥过程与热泵系统耦合为一体的综合数学模型。计算表明:干燥室入口空气温度在60～90℃之间变化时,干燥系统的除湿能耗比(SMER)存在一个最大值。开发出了干燥样机。试验表明:干燥过程中,干燥室入口空气温度在64.4～71.7℃间波动,新风比约为30%,平均热泵性能系数 (COP)为3.34,SMER可达1.935 kg/(kW·h)。模型计算与试验结果吻合良好,采用该装置进行谷物干燥节能效果明显。

柴油发电机驱动的热泵干燥系统开发与优化

设计了柴油发电机驱动的移动式热泵干燥系统,该系统由蒸汽压缩式热泵(热泵工质为R134a)提供热量,以卧式多室流化床为干燥室。在风道中设置换热器回收柴油机冷却水和烟气余热,以提高系统一次能源利用率。针对该系统建立了流化床、热泵、柴油发电机组耦合为一体的综合数学模型。数学模型计算结果表明:干燥室入口空气温度在60～90℃时,干燥系统的除湿能耗比先升后降,在70℃附近存在一个最大值。样机实验表明:设备在设计工况下运行时,平均热泵性能系数为4.66,一次能源利用率为1.09,除湿能耗比可达3.08 kg/(kW·h),模型计算与实验结果吻合良好,采用该装置进行谷物干燥节能效果明显。

活性蓄冷器数学模型的研究进展

活性蓄冷器是室温磁制冷机的核心部分,它的性能直接影响整个磁制冷系统。了解其工作机理和热力学特性对制冷机的设计与优化具有重要意义。综述了近年来活性蓄冷器数学模型的研究进展,并对模型进行了比较分析。

基于热泵的蒸汽发生装置研究

蒸汽作为工业中常见的生产介质和载热体,通常来源于锅炉等热源。为了降低能耗、提高能源利用效率,提出了一种基于热泵技术的蒸汽发生装置,将锅炉产和热泵相结合的方案,利用喷射器作为过热蒸汽发生器来提供蒸汽。

颅骨弹性模量时效性的实验研究

采用猪颅骨为实验材料,使用应变电测法对颅骨各层弹性模量随风干时间的变化规律进行了实验研究。实验结果表明:密质骨弹性模量约是松质骨弹性模量的2.5倍,松质骨对颅骨弹性模量的影响有限;猪颅骨单层密质骨和整体的弹性模量相差约13.9%;冷冻后经室温下自然解冻的猪颅骨单层密质骨的弹性模量变化量相当于新鲜密质骨的9.2%,单纯板障松质骨片的变化量为17%,去掉一层密质骨后的颅骨片变化量为18.1%,整体猪颅骨片的变化量为15.6%;由于各生物体颅骨结构基本相同。由此可知,如果在人颅骨上也能得到相似的结论,在进行有关人颅骨研究时可大大延长同一块颅骨的使用时间。或者可以用风干颅骨、解冻后风干颅骨来代替新鲜骨,然后根据其时效特性对实验数据进行修正,这样会大大降低实验成本和难度。

水冷式换热器传热性能的稳态分布参数模拟与实验验证

建立了以分布参数为基础,以壳管式换热器为主要研究对象的稳态仿真模型,以R124为制冷剂模拟实验工况,并分别对蒸发器和冷凝器的进出水温度及蒸发侧和冷凝侧的换热量进行了测量,对比分析了实验结果与仿真结果,对换热器性能进行了分析。结果表明,冷凝器、蒸发器出水温度的仿真值与实测值的相对偏差分别在±2.5%和±3%内;蒸发侧和冷凝侧换热量的仿真结果最大偏差分别为1.72%和-5%;冷却水进水温度每升高1℃,冷凝侧换热量降低1.37%;蒸发器出水温度每升高1℃,蒸发侧换热量减小5.17%。

环形正负电子对撞机大型探测器超导磁体虹吸实验初步研究

对环形正负电子对撞机大型探测器超导磁体拟采用的低温虹吸实验进行了研究,通过液氮虹吸实验发现了倾斜角度对虹吸换热效果的影响。热虹吸管在15°时换热效果最佳(最大换热温差在4 K内),倾角增大,热虹吸管冷热端温差逐渐增大。对液氦虹吸实验装置进行设计和搭建,并进行了初步探索,研究发现蒸发侧热负荷为0.5 W时,管路换热温差为1.2 K,且装置本体漏热为0.5 W。

颅腔三维模型的建立及其变形的有限元方法分析

目的建立真实的人体颅腔三维模型,通过有限元方法分析人体颅腔随颅内压(ICP)变化的应变规律。方法以1例成年健康男性的颅腔CT扫描图像为基础,利用逆向工程软件Mimics 13.0建立人体颅腔三维模型,并通过ANSYS软件模拟临床ICP变化范围2.0～6.0kPa,分析三维颅腔表面的变形情况。结果利用Mimics软件建立了与真实人体颅腔几何结构和材料属性均高度相似的三维颅腔有限元模型,该模型相较于其他简化模型和普通计算机辅助设计(CAD)建模软件建立的模型具有细节更逼真、材料属性更贴切的特点,更具有普遍应用的价值。而且通过ANSYS有限元模拟分析,随着ICP的增高,颅腔表面应变呈上升趋势,在2.0～6.0kPa ICP变化范围内,颅腔表面应变范围为1.27～3.67με。随ICP变化,人体颅腔表面的应变规律和范围与前期研究的计算结果基本一致。结论建立的真实人体颅腔三维模型和模拟颅腔随ICP变化的变形规律具有较高的可信度,为临床研究颅腔变形提供了可靠的数据依据。

热泵蒸汽系统的试验研究

热泵蒸汽系统是一种节能环保的蒸汽发生系统。为了研究热泵蒸汽系统的实际使用情况,设计并搭建了热泵蒸汽系统试验平台,通过理论分析和试验测试,研究了热泵蒸汽系统的运行效果。结果表明:热泵蒸汽系统产生蒸汽110℃(0.11 MPa,7.68 kg/h)时,喷射器喷射系数为0.60,系统COPhps为1.15;产生蒸汽115℃(0.12 MPa,14.10 kg/h)时,喷射器喷射系数为0.47,系统COPhps为1.17。

用于台山中微子探测器的低温恒温器设计

就台山中微子探测器(JUNO-TAO)所需的低温恒温器进行设计,该恒温器高2 m、φ2 m、工作温度-50℃、内部φ1.8 m的球体范围温差±0.5℃,恒温器以低温硅油为载冷剂、制冷机为冷源,采用单层不锈钢罐体和聚氨酯复合发泡绝热技术。首先建立以φ1.8 m球体为主要组成部分的物理模型,运用Steady-State Thermal和Fluent软件模拟计算,分别得到液体闪烁体(LS)处于20℃、-30℃和-50℃时球体范围内的温度分布情况,分析结果可得液闪处于-50℃的方案运行简单,安全可靠。

小型BOG再液化系统流程参数分析及优化

混合冷剂再液化系统回收液化天然气(LNG)加气站产生的蒸发气(BOG)是一种节能环保的新方法。为回收偏远地区小型LNG加气站现场储罐产生的BOG,以某LNG加气站实际情况为例,提出了一种小型带预冷的混合冷剂制冷循环回收加气站产生的BOG。对流程中压缩机进出口压力、分离温度以及混合工质循环流量等参数进行了模拟分析,探究了参数对系统能耗的影响及规律。在此基础上,以压缩机总功耗为目标函数,换热器最小换热温差等为约束条件,对该方法进行了优化。结果表明,在保证BOG液化率不变的情况下,优化后的制冷循环BOG直接再液化总功耗为9.37 kW,相比于优化前能耗下降了7.5%,优化效果理想。

颗粒流本构关系的实验研究

基于"拟流体"的思想,给出了测量颗粒流本构关系的实验方法.在颗粒斜槽流实验中,通过颗粒的抛物线运动计算流层速度分布,根据非牛顿流体理论求得颗粒流黏性的本构关系;建立了颗粒斜槽流的数学模型,流层的速度为指数分布,流量为斜槽倾角和流层厚度的函数.以小麦颗粒为例,实验结果与用"拟流体"方法所得的预测值进行比较,相对误差在13%以内.

车载式热泵干燥装置的试验研究与热力学分析

针对目前我国粮食收获现场没有配套的干燥设备进行跨区域移动作业,导致收获的粮食不能及时干燥而霉烂的问题开发一种车载式热泵干燥装置。该装置采用蒸汽压缩式热泵(热泵工质为R134a)提供热量,卧式多室流化床为干燥室,热泵蒸发器回收流化床前段排气中水蒸气潜热,鼓入环境状态的新风用以回收干燥后物料的显热。整个装置结构紧凑(3.5 m×2.1 m×1.7 m),可固定安装在5 t货车(7.2 m×2.2 m×2.2 m)车斗底盘上,便于拖运以进行跨区域移动作业,同时该装置管道之间增加了柔性连接,具有较强的抗震性能。基于样机试验数据进行热力学分析,结果表明:样机稳定运行时,平均热泵性能系数为3.3,除湿能耗比0.513 kWh/kg,热泵系统平均火用效率49%,测试结果达到设计要求。

基于蜜蜂进化型遗传算法的中央空调系统能耗优化研究

如何在满足用户冷量需求的基础上,最大程度地减小中央空调系统的运行能耗是建筑节能领域亟待解决的问题。目前,标准遗传算法(SGA)是中央空调系统节能优化采用较多的方法之一,但若需要较高的计算精度,其计算时间较长,而蜜蜂进化型遗传算法(BEGA)具有精度高、收敛速度快的优点。本文采用此方法对中央空调系统的运行能耗进行了研究,得出了系统在不同负荷下的最优运行参数,发现中央空调系统存在的节能潜力跟系统实际运行负荷的大小有关,实际负荷越小,系统的节能空间越大。在通常的空调负荷分布情况下,节能率可达25.1%。

用于CEPC探测器超导磁体的液氮虹吸实验研究

概括了环形正负电子对撞机(CEPC)探测器超导磁体拟采用的虹吸冷却低温系统的研制背景,重点介绍了液氮虹吸实验平台的设计、组装及检漏。分别以氮气液化后的液氮填充相分离器的1/5和1/3体积的要求进行了两次实验,其常温常压下的体积分别为0.32m^3和0.47m^3。实验发现当充装量为0.32m^3时,蒸发侧加热功率达到10W后发生了烧干现象;充装量为0.47m^3时,蒸发侧加热功率达到20W后液氮回路仍循环良好,管路最大温差不到1K,管路温度分布均匀,未发生烧干现象。实验结果表明,氮气的充装量以及蒸发侧的加热功率是影响虹吸冷却效果的两个重要因素。

中高温热泵稳态仿真模型及其实验验证

本文针对水——水中高温热泵实验装置,建立了稳态仿真模型。对系统和仿真模型进行正交实验和实验验证后,得出该仿真模型计算精度在±10%左右,结果表明所建立的数学模型及仿真程序精度较高、可靠性较好,适合于系统仿真研究。