体循环系统建模与仿真

根据流体网络与电气网络的等效关系,用电流表示血液的流动,用电阻表示血液流动的黏滞阻力,用电容表示血管的顺应性,用电感表示血流的惯性.采用1个时变电容和1个心肌电阻模拟左心室,建立了改进型五阶集总参数体循环系统电路模型.根据人体实际生理状况和临床数据制定模型参数,仿真健康心脏、不同部位病变导致的衰竭心脏的血流动力学特性,探讨了衰竭心脏的仿生控制机理,验证了所建模型的可行性.根据基础电路法列写状态方程,应用MATLAB软件进行仿真.结果表明:改进的左心室模型能全面地反映心脏的工作机理和功能,可以模拟健康状态血液动力学特性,通过改变参数又可以模拟因左心室弹性变化、外周阻力变化、心肌阻抗特性变化分别导致心衰的血流动力学特性.     

叉车转向机构运动学与力学分析及多目标优化

建立了横置液压缸式转向机构运动学和力学的数学模型以及转向机构的优化模型.以叉车转向机构为实例,进行了运动学与力学问题相结合的多目标优化设计研究.为验证这两个数学模型的准确性,建立了该转向机构的ADAMS模型,并将两个数学模型计算结果与ADAMS模型仿真结果进行对比.结果表明:所建立的运动学和力学两个数学模型准确地刻画了转向机构内部的数学关系,并且与ADAMS模型仿真结果完全相符;利用该优化模型,实现了转向机构活塞杆输出轴向力最小化,最大轴向力相比优化前减小了30.22%;优化后转向机构转角误差最大值为0.935°,保证了叉车有高的转向精度.     

基于MATLAB语言的电加热炉神经元PID控制的建模与仿真

给出基于MATLAB语言的神经元PID控制器S函数 ,在此基础上建立电加热炉神经元PID控制的SIMU LINK仿真模型 ,最后给出该模型的仿真结果 .仿真结果表明 ,利用该SIMULINK仿真模型可以方便地实现对电加热炉神经元PID控制的研究     

基于次弹性模型的三维牙周膜建模仿真研究

建立和研究牙周膜的次黏弹性本构模型.对用次弹性模型描述牙周膜力学特性的合理性进行了分析,基于各向同性假设和小应变的条件进行推导,建立了基于单轴拉伸实验数据的牙周膜多轴次弹性模型;基于已有的试验数据,构建了牙周膜次黏弹性本构模型,并确定了粘性参数;在此基础上,建立了牙颌有限元模型,并使用次弹性模型对文献的实验进行了仿真.结果表明,有限元仿真结果与实验数据基本符合,该次弹性本构模型能够描述牙周膜的力学特性.     

上肢动脉系统的三段式电网络建模与仿真

根据弹性腔模型,建立了上肢动脉系统的三段式电网络模型。该模型以肱动脉血压波形为输入,采用状态空间分析法建立了电网络模型的空间状态方程组,并利用四阶龙格库塔方法对其进行数值求解,得到桡动脉的血压和血流波形。利用该电网络模型分析了正常和病理（动脉硬化和高血压）情况下对桡动脉脉搏波的影响。实验结果表明：该电网络模型的参数具有较好的生理意义;模型的求解计算精度较高,收敛快;能有效地对正常和病理情况下上肢动脉的血液动力学特征进行仿真。     

基于亚区结构的人体二尖瓣的建模与仿真

通过建立精细的人体二尖瓣有限元模型,仿真前后瓣叶厚度不均匀的二尖瓣模型在心脏收缩初期的动态闭合过程,与前后瓣叶厚度均匀的二尖瓣模型的仿真结果相比较.仿真结果表明:两种模型的瓣叶应力分布不均匀,最大应力值都出现在后瓣叶亚区与亚区之间的裂口位置,与临床二尖瓣撕裂常发生位置一致,表明了仿真方法以及结果的正确性,瓣叶厚度不均匀模型中瓣叶应力水平相对较低,更符合实际.最后根据临床数据,设置厚度不均匀模型中瓣环与乳头肌的二维运动,再次进行仿真.仿真结果表明该精细模型瓣叶的闭合度比之前瓣环与乳头肌固定不动模型的闭合度高,瓣叶应力分布相对较均匀,更接近实际生理情况,为后续的病理等的仿真奠定了基础.     

按压胆囊的微创手术操作仿真

针对使用机器人进行腹腔微创胆囊手术仿真时胆囊的变形问题,研究了按压胆囊时胆囊的变形过程.建立了胆囊及其附属管路的几何模型,针对该几何模型建立了基于弹簧-质点模型的力学模型.提出了使用手术器械按压胆囊时的手术仿真算法,对该仿真算法进行了验证.图形反馈表明该算法可以实现胆囊及其附属管路的按压操作仿真,其图形反馈较为真实,实时性也较好.仿真结果表明:该算法可用于医学仿真,可实际应用于胆囊及其附属管路的操作仿真.     

心脏核磁共振图像左心室底层组织分割方法

提出了一种基于局部灰度聚类(LIC)模型和分水岭算法的心脏核磁共振成像(MRI)图像左心室底层组织分割方法.首先,使用LIC模型对图像进行初步分割,提取出图像中的组织和器官;然后,使用分水岭算法弥补粘连的不同组织或器官之间缺失的边界,将其分开,人工选取种子点进行区域生长初步提取左心室;最后,利用左心室形状特征的先验知识判断提取的左心室中是否包含主动脉,若包含则去除主动脉,得到精确的左心室分割结果.实验结果表明,该方法能有效去除心脏MRI图像上左心室底层存在的弱边界和边缘泄露的影响,得到准确的左心室底层组织分割结果.     

人体上肢血管系统建模及仿真

为了探讨人体动脉脉搏波中所蕴涵的血流动力学信息,从而预测人体生理病理状态。根据Windkessel模型理论,将血管等效为许多小的串联的弹性管道的模型,建立了一个上肢血管系统的电网络模型。采用Matlab中的Simulink/Simpowersystem模块构建该上肢电网络模型进行仿真试验,对动脉脉搏波进行动态模拟。鉴于高血压和动脉硬化等疾病主要体现在心血管动力学参数的变化上,分析研究了血流动力学参数中外周阻力和血管顺应性对脉搏波的影响。仿真结果与生理实际系统相符,表明该模型具有一定的实用性和有效性。     

基于本构模型参数的肌肉主动力响应有限元分析

研究了肌肉主动力有限元模型的力学性能与稳定性,使其适用于头颈部动力学响应的仿真研究.运用准线性黏弹性被动单元与Hill主动单元相耦合的方法,建立了兔子胫前肌的有限元仿真模型.对比Myers实验数据验证了该模型在不同应变率下离心收缩的应力应变特性.同时研究了等长收缩与轴向压缩模式下的肌肉的力学特性.仿真结果表明,仿真模型与实验输出应力应变曲线具有较好的一致性,在相同应变情况下,最大应力误差仅为0.07MPa.该模型具有较好的计算稳定性与生物逼真度,能够满足人体颈部肌肉建模的需求.     

混凝土力学行为的降阶多尺度模拟研究

为了研究混凝土的降阶多尺度方法动态力学特性,模拟随机形状和大小的凸多面体骨料,并考虑了骨料的随机结构和位置,建立了混凝土三维细观仿真模型,通过单轴静态压缩仿真对模型进行了验证.根据细观尺度下混凝土的实际结构,对动态SHPB冲击载荷作用下的混凝土进行仿真模拟,得到了不同入射速度下的实验数据.结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好,多尺度方法可以将细观尺度特征和宏观尺度动态力学行为联系在一起,验证了多尺度方法的有效性,在混凝土各相力学性能方面,降阶均匀化方法相比细观尺度模型提高了计算效率.     

神经元轴突电刺激响应的有限元数值模拟

为了研究神经元轴突的微观生理电传导特性,建立了神经元轴突的三维有限元模型,通过数值计算模拟神经元轴突对电刺激的动态响应.建立海马神经元轴突的三维几何模型并指定其生物物理参数,根据Hodgkin-Huxley方程和Maxwell方程,建立偏微分方程组,对神经元轴突有限元模型施加不同持续时间和不同脉冲幅度的电流脉冲并求解,获得神经元轴突的三维电势分布和动作电位曲线.数值模拟结果显示,该神经元轴突的静息电位约为-65 mV;对模型施加持续时间为2 ms,强度0.01 A/m2的电流脉冲刺激未产生动作电位,施以(2 ms、0.2 A/m2),(20ms、0.01 A/m2),(20ms、0.2 A/m2)脉冲刺激均产生动作电位,峰值分别出现在0.012 s、0.017 s和0.012 s,动作电位幅度约为100mV,持续时间约为2 ms.神经元轴突电刺激响应的有限元模拟结果与实验结果吻合,表明所建立的神经元轴突有限元模型及数值模拟方法合理、可靠,为深入研究神经电生理特性提供了基础模型和仿真分析方法.     

考虑燃料消耗的飞机副油箱燃油晃动等效建模

随着燃料消耗,飞机副油箱内燃油的晃动特性将改变,并影响飞机飞行品质和安全。为准确高效地分析副油箱内燃油晃动行为,通过势流理论和有限元法建立了不同充液高度下燃油晃动的单摆等效力学模型。基于充液高度对单摆等效力学模型的各参数进行插值处理,提出了考虑燃料消耗的燃油晃动等效力学模型建立方法。以俯仰激励和滚转激励为例,对固定充液比和变充液比情形下的单摆等效力学模型进行了验证。结果表明,本文建立的等效力学模型对燃油动力学响应的预测结果与计算流体动力学软件的仿真结果吻合良好。可见,该等效建模方法在飞机副油箱内燃油晃动动力学描述上准确有效。     

基于PSIM的无刷双馈电机三电平直接转矩算法的建模与仿真

针对无刷双馈电机三电平直接转矩控制算法进行研究,相对于传统的两电平直接转矩控制算法,增加了电压矢量的可选择性,并有效地减小了转矩脉动,获得了更好的磁链轨迹.同时在PSIM软件中建立了三电平直接转矩仿真算法模型并进行了验证.实验结果表明:该算法显著提高了无刷双馈电机的控制系统的鲁棒性和动态性能.     

一种带心肌瘢痕的心脏磁共振图像左室壁分割方法

从心脏磁共振图像中分割出左心室内外膜轮廓线,是心脏三维重建及心脏功能评定的先决条件.针对带心肌瘢痕的心脏磁共振图像,提出了一种基于显著性检测定位的左心室内外膜分割方法.方法采用视觉显著性检测和分水岭变换,提取左心室血池区域,准确确定了左心室位置;然后提取血池区域轮廓线作为内膜初始轮廓,在带形状约束的活动轮廓模型作用下演化得到左心室内外膜.实验结果证明,该方法定位较为准确,能使初始轮廓迅速收敛到内膜边界,分割得到的内外膜以及心肌区域均较为准确.     

基于离子通道的心力衰竭病理分析仿真研究

通过计算机模拟人的心脏电生理活动,可以为经济、安全地研发心脏病治疗药物提供保障.针对这一需求,基于已建立的心肌细胞离子通道数学模型设计并实现了一种心肌细胞离子通道级仿真平台,仿真了Purkinje纤维细胞、心内膜细胞、心中间膜细胞和心外膜细胞这四种细胞的动作电位.最后根据已发表的实验数据,应用这四种细胞的数学模型对心力衰竭疾病下离子通道开放程度发生变化的病理进行了仿真实验,并且对比分析了仿真得到的心力衰竭和正常心脏情况下的结果,结果与公认实验数据相符,从而验证了该仿真平台的可靠性.     

用模型方法研究灌注压对缺血区心肌血流时相分布的影响

为了研究在舒张期提高冠脉灌注压对缺血区血流时相分布的影响,建立了一个左心室壁血流灌注仿真模型。模型中正常心肌和缺血心肌中血管网都用３个支路来代表,各个支路由符合生理实际的非线性时变阻容元件组成。以６条雄性犬的左心室压和主动脉压的实测数据作为输入进行仿真,得出了符合已有实验观察的结论。结果表明：舒张期提高灌注压对缺血心肌的血流灌注有明显改善。     

汽车油位传感器磨损模型及磨损寿命的可靠性预测

通过对油位传感器进行接触力学分析,基于数值离散方法建立了油位传感器的磨损模型,经过干式耐久性磨损实验得到模型的相关参数,并利用蒙特卡洛法对触头与导带的磨损寿命进行可靠性评估.结果表明,所建数值模型和磨损寿命可靠性预测结果可应用于油位传感器的磨损仿真.     

基于双弹性腔的左心循环系统的建模与仿真

揭示循环系统的生理病理机制,建立左心与动脉系统耦合的动力学电路模型.用状态变量分析法建立左心循环电路模型的数学模型,利用Matlab/Simulink工具对这一数学模型进行建模仿真,并用图形用户接口(GUI)界面进行参数输入.最终得到左心室容积、左心室压力、左心房压、主动脉压和主动脉血流的时间曲线,主要的特征数据和波形曲线与实际的生理情况相符.     

多孔泡沬金属及其磁导率的研究

研究了多孔泡沫金属的磁导率,建立了电沉积金属磁导率的计算模型.利用石蜡熔融的方法,得到了电沉积所得的多孔泡沫金属的孔隙率;利用振动样品磁强计对结构参数相同、磁导率不同的三种多孔泡沫金属进行了测试,得到了多孔泡沫金属及电沉积金属的相对磁导率,根据等效磁阻的原理,对电沉积金属相对磁导率进行了仿真计算,计算结果与实验相近;结果表明,建立的模型可以用来计算电沉积金属的相对磁导率;多孔泡沫金属的磁导率随着电沉积金属磁导率的增加而增加,随着孔隙率的增加而减小,为研究多孔泡沫金属的磁性能提供了理论和实验依据.