静脉-静脉ECMO上腔灌注管与下腔引流管间距对右心房内血流动力学影响的数值研究

目的阐明静脉-静脉ECMO(veno-venous extracorporeal membrane oxygenation,VV-ECMO)上腔灌注管与下腔引流管间距对右心房内血流动力学环境的影响规律。方法基于一名呼吸衰竭患者的心脏MRI影像数据建立右心房三维模型,以Medtronic 23Fr型插管为基础建立上腔灌注管模型和下腔引流管模型;分别建立上腔灌注管与下腔引流管间距与上下腔静脉距离之比为38%、88%、126%三种情况的流固耦合模型。采用瞬态计算流体力学方法研究右心房内血流动力学状态。采用血流速度云图、再循环率(recirculation fraction,RF)、右心房内低流速区域体积和相对停滞时间(relative residence time,RRT)等参数来评价不同上腔灌注管与下腔引流管间距下右心房内的血流动力学变化。结果随着上下腔静脉插管距离的增加,右心房内低流速区域总体积先降低后增加(468 mm 3 vs.327.47 mm 3 vs.357.7 mm 3);相对停滞时间最大值先降低后增加(103.54 Pa-1 vs.70.60 Pa-1 vs.95.15 Pa-1);再循环率不断降低(23.295%vs.20.918%vs.10.88%)。结论低流速区域体积和RRT的改善与插管间距的增大并不是线性的,当插管间距增加到一定距离时,继续增加插管间距,低流速区域体积和相对停滞时间指标反而会变差。再循环率则随着插管间距的增大而不断改善。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形 ,并采用有限元方法和 Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性梁的弹性变形运动的相互耦合 ,并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例 ,进一步说明了零次近似方法在处理某些刚 -柔耦合动力学问题时的缺陷 。

动力刚化与多体系统刚-柔耦合动力学

首先指出当前柔性多体系统动力学的大量工程研究背景，在回顾柔性多体系统动力学研究进展后指出动力刚化的现象揭示了刚－柔耦合的零次建模方法的局限，认为进一步深入进行柔性多体系统刚－柔耦合动力学的研究是多体系统动力学研究的新阶段。文末提出了刚－柔耦合动力学的研究任务。

土壤碰撞问题的刚-散耦合动力学分析

本文以探测器着陆行星土壤为背景,对土壤碰撞问题进行刚-散耦合动力学建模与仿真分析研究.结合离散元方法和多体动力学方法,对半球壳装置土壤跌落问题进行耦合动力学仿真.通过与实验结果及有限元仿真结果对比,验证所采用离散元方法的有效性.分析了颗粒场中颗粒尺寸、恢复系数、静摩擦系数等参数,对碰撞中物体和颗粒场的碰撞加速度、碰撞持续时间、振动波形等动力学响应的影响.本研究将拓展对刚-散耦合动力学问题的理论认识,为探测器着陆系统的设计提供技术支持.

80型轮式装载机作业过程的刚-弹耦合多体动力学分析

轮式装载机是用于装运散料为主的工程机械,经常工作在露天矿山或大型建筑工地,工作环境恶劣,装载机自身系统又十分复杂,其结构件容易破坏失效,因此,精确求取某些关键部件的连接铰点的受力是很重要的,本文采用现代设计方法来研究这个问题。在三维软件CATIA中建立装载机工作装置、车架系统的三维模型,应用多体动力学与有限元相结合的方法,建立了装载机工作装置、车架系统的刚-弹耦合动力学模型,研究了刚-弹耦合的方法,模态中性文件的生成、导入ADAMS中的方法,最终用刚-弹耦合模型进行了作业过程的动力学仿真,得到了一些关键铰点的整个作业过程的受力历程曲线。

刚-柔-热耦合多体系统的动力学分析

本文研究了柔性多体系统刚-柔-热耦合动力学特性。以哈勃天文望远镜(HST)为研究对象,基于柔性多体系统动力学理论,考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化,建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学方程。通过对热载荷作用下哈勃天文望远镜多体系统的数值仿真研究了热辐射角、阻尼系数、比热容、支撑梁、太阳能毯之间的轴向力等参数对于柔性附件热颤振的影响;并提出增加结构阻尼、减小支撑梁和太阳能毯之间的轴向力、选择阻尼系数和比热容均较大的支撑梁材料、采用柔度较大的主体桶材料等改善热颤振的措施。

气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学研究

基于非线性应变和位移关系,忽略横向剪切变形,用绝对节点坐标法建立了大变形复合材料层合板几何非线性动力学模型。在此基础上,综合考虑层合板风阻和气浮台风阻的影响,建立了气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学模型。为了真实反映物体之间的约束关系,将气浮台和层合板之间的约束表示为面与面的固定约束。在单轴气浮台动力学仿真实验平台上进行了带有角位移驱动的复合材料层合板大变形刚-柔耦合动力学实验,验证了理论模型的正确性。比较了传统的点固定约束与面固定约束的计算结果差异,阐明了面固定约束的合理性。此外,分析了层合板风阻和气浮台风阻对仿真结果的影响,说明了考虑层合板风阻的必要性。

岩体水力压裂应力-渗流耦合近场动力学模拟

裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。

基于整车刚-柔耦合多体动力学模型的车架动态应力分析

以60 t交流电传动铰接式自卸车车架为研究对象,根据拓扑原理作出整车的结构拓扑图。在此基础上,先建立整车多刚体系统动力学模型,然后建立考虑车架弹性变形的铰接车刚-柔耦合多体动力学模型,并对其进行仿真分析。提取车架关键位置的动态应力-时间历程曲线,验证设计的安全性,并为下一步铰接式自卸车的设计改进和车架的疲劳寿命预测分析提供重要参考依据。

鞋涉水问题的多体动力学与流-固耦合系统建模及仿真分析

工程应用问题分析常涉及多体动力学与流-固耦合联合仿真,行人在湿路行走时的鞋涉水问题正是此类问题之典型,多系统联合仿真建模及完整的鞋“涉水-出水”过程模拟分析,对工程应用中类似复杂耦合问题的仿真分析具有良好的参考价值.本文基于Adams/View建立人体下肢多体动力学模型以模拟行人步态,将之作为鞋运动的边界条件;而后建立鞋涉水过程的流-固耦合模型,采用耦合欧拉-拉格朗日方法(CEL)以可视化的方式分析鞋详细的“涉水-出水”过程,确定整个过程可分为排水、推水、水膜生成、水膜破裂和完全出水5个阶段.最后,对运动鞋、平底鞋进行涉水仿真,对比各个阶段的体积分数云图、水域速度云图和系统动能变化,采用涉水时间和消耗能量大小为涉水性能评价指标,发现平底鞋的涉水性能弱于运动鞋.

不平衡-碰摩-不对中故障耦合作用下柔性转子-滚动轴承系统动力学分析与实验

研究柔性转子-滚动轴承系统在不平衡-碰摩-不对中故障耦合作用下的动力学响应.基于有限元与数值计算联合仿真方法,建立转子-滚动轴承系统的耦合故障柔性多体系统动力学控制模型.运用模态综合法建立柔性多体系统动力学模型,并自行编程建立非线性轴承力、碰摩力与不对中激振力模型.分析对比了系统在各种故障耦合作用下的振动特征图.结果表明,不对中故障对转子系统的整体振动影响较明显,不对中故障较严重时,整个系统振动形式更加复杂,并且仿真分析结果与实验结果能够较好的吻合,因此该方法可有效研究转子-轴承系统的不平衡-碰摩-不对中耦合故障特征.

五自由度虚拟轴机床刚-柔耦合动力学仿真研究

针对一种用于研磨自由曲面的新型虚拟轴机床 ,建立基于Lagrange方程的空间刚 -柔耦合动力学模型 ,并通过动力学仿真研究说明各支链驱动力、运动具有相似性。

五自由度虚拟轴机床刚-柔耦合动力学模型

针对一种用于研磨自由曲面的新型虚拟轴机床,建立基于Lagrange方程的空间刚-柔耦合动力学模型。考虑虚拟轴机床整体的刚性运动与各支链弹性变形间的相互作用或耦合,将机床的各个支链和平台看作独立的子结构,建立各自的动力学方程,根据子结构之间的约束关系建立系统约束动力学方程。该方法为虚拟轴机床动力学研究提供了新的思路。

旋转刚-柔耦合系统动力学及热冲击响应分析

利用FOAC模型理论,给出了大范围运动的大变形变截面柔性梁的位移描述,继而得到系统的机械能的高阶表述,然后基于广义Hamilton原理得到系统的动力学模型。系统模型考虑了柔性梁在不同方向的相互耦合影响,使得系统能够对较高速度的旋转刚柔耦合结构进行动力学仿真,避免了传统ZOAC模型对高速旋转柔性系统仿真结果发散的不足,从本质上分析了动力刚化作用。在此基础上,考虑热冲击对系统的动力学响应,包括梁两侧同等热冲击和不等温热冲击,为航天结构和热场环境救援机器人的动力学行为提供仿真模型。

哑铃型航天器刚-柔耦合动力学建模与仿真分析

为满足深空探测的需求,需要构建一种全新的哑铃型航天器.由于构型和质量分布的差异,传统"中心刚体+柔性附件"动力学模型将不再适用,因此必须针对该构型建立一种高效准确的动力学模型.本文基于小变形假设,利用浮动坐标法,采用多体系统动力学单向递推组集方法,建立了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学模型.该模型考虑了哑铃型航天器的轨道-姿态-变形之间的耦合效应,保留了全部变形高次耦合项.通过采用本文方法建立的"刚体-桁架-刚体"模型和已有的两种哑铃型航天器模型,对典型算例进行动力学仿真和比较.仿真结果表明,本文模型很好地反映了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学特性,末端物体的转动惯量将会影响系统的动力学响应,不能简单忽略.本研究将为哑铃型航天器的总体设计,特别是控制规律的设计,提供重要的技术支持.

机器人单足系统沙土跳跃刚-散耦合动力学分析

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题,因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型,从而优化其系统构型.近年来,对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注.本文采用离散元法对颗粒场进行建模,以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模,对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析.基于经典土力学Prandtl-Reissne理论,从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发,对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正,提出了一种修正的Poncelet公式.通过与离散元仿真结果对比,说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力,尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性.最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响,给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式.本研究将拓展刚-散耦合动力学理论,并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.

集总与多体耦合人车模型的振动特性仿真

为了更好地分析车辆行驶时人体的振动情况以及更好地评价人体的动态舒适性,通过COMSOL软件建立了集总参数与多体耦合人-椅-车动力学模型。利用滤波白噪声法建立随机路面时域模型作为人车系统的振动输入,对不同路面等级和车速下的人体振动响应进行时域和频域仿真分析。根据ISO 2631-1:1997(E)计算垂向和纵向人体头部以及臀部的加速度均方根值,以此来评价人体乘坐舒适性。研究结果表明,路面等级越低、车速越高,人体乘坐舒适性越差。提出的集总与多体耦合人-椅-车振动模型可以比较精确地计算出坐姿人体垂向、纵向的振动响应,有助于对车辆乘坐舒适性进行评价。

含无限刚性体结构的动力学特征与工程应用

除显含无限刚性段的振动体系外,结合动力问题有限单元法中的一致质量矩阵提出了隐性无限刚 性的概念,以及由此引起的振动惯性耦合问题.结合地震作用下高层建筑与桩-土相互作用时的动力响应,提 出了对于实际工程问题利用分支模态二步分析法建立计算模型时应注意的问题.

无人机翼伞回收系统刚柔耦合动力学建模方法

利用可控翼伞实现固定翼无人机的精确回收具有十分广阔的应用前景。然而,由于无人机与翼伞之间的相对运动,柔性伞绳随时发生变化,导致现有基于刚性假设的动力学模型不能准确地反映无人机与翼伞之间的约束关系。为了解决这个问题,文章提出了一种基于柔性伞绳的翼伞-无人机系统多体动力学建模方法:假设翼伞和无人机之间由多根抗拉不抗压的弹性绳单元连接,建立相应的柔性伞绳动力学模型;再结合翼伞和无人机的运动方程,推导出翼伞-无人机系统的刚柔耦合动力学模型。通过与8自由度模型的对比发现,当控制输入较大时这种耦合模型更能反映翼伞-无人机系统的运动情况。