微创手术钳柔顺拓扑优化设计

传统的微创手术钳是带有运动副的刚性构件,结构复杂且夹持力呈非线性变化,容易造成器官组织过压损伤。基于免装配的柔顺连续体拓扑设计,以柔性部件的整体弯曲作为目标函数,以保持有效夹持刚度作为附加约束条件,建立双工况优化模型。基于变密度插值模型和优化准则方法进行迭代求解,得到较为理想的手术钳柔性拓扑结构,并对优化后结构进行有限元数值分析。结果表明,钳头结构末端的最大位移和夹持刚度均满足手术钳使用要求,且具有力-位移线性响应关系。该研究简化了手术钳结构,有利于改善操作手感和夹持效果,为拓展柔顺机构在微创手术临床实践中的应用提供了思路。     

基于Deform-3D仿真对钳口夹紧力的研究

经过对重载锻造操作机夹持力计算方法的分析,国内以往的夹持力计算通常是基于摩擦抓取理论来完成的。而在实际夹持工况中,操作机钳口在夹紧过程中使高温锻件产生塑性变形,即在锻件上形成钳口凸齿挤压的齿槽,相对于仅靠摩擦计算,通过凸齿与齿槽之间的作用来计算夹持力更加合理,且对实际工况更具有参考价值。主要通过Deform-3D软件来模拟分析钳口在挤压过程中的夹紧力,并分析出除钳口结构特征之外其他影响夹紧力的因素。利用模拟仿真,数据分析,可以较为方便地找出不同吨位操作机钳口夹出合适齿槽深度时所需夹紧力,为操作机机构设计提供理论依据。     

基于人机工程学左手专用尖嘴钳的设计

人机工程学是研究人、环境和机械设备三者之间相互作用的学科.目前,左手专用工具的种类及数量较少.该文立足于左利手人群在使用手持工具时的局限,在市场调研的基础上,设计时充分考虑了钳子外形、手柄长度及形状、手柄握持空间和钳口张角、钳头样式、钳头刃口、铰接方式、夹持面、钳子弹性结构等因素,基于人机工程学理论及3D技术设计了一款...     

皮辊硬度与成纱质量关系的初步探讨

本文就五种皮辊硬度、四种加压进行试验,以成纱乌斯特仪测定结果作为考核依据,重点测定了皮辊动态握持力、钳口变形量.对握持力作了理论推导,计算结果与测定值基本符合.对皮辊硬度、加压对成纱质量的影响作了理论探讨,发现软皮辊握持力不匀率小,最小握持力大,握持稳定性好;钳口变形量大,浮游区长度短,纤维变速点集中,移距偏差小;弹性变形大,对单纤维控制能力强,能掩盖皮辊的轻微中凹和结构、表面特性的不均匀性,故其成纱质量优于硬皮辊.成纱CV%值与皮辊硬度、皮辊握持力不匀率成高度线性相关.因此,文中指出测定皮辊动态握持力,一定程度上可估计皮辊的纺纱性能和工艺配置的合理性.     

基于拓扑优化的微夹钳设计

采用以互能和应变能比值作为目标函数的柔性结构拓扑优化方法完成了微夹钳的概念设计.结合具体的夹持对象和工作环境,在微夹钳概念设计基础上确定了微夹钳的最终结构形式.采用有限元法分析了微夹钳的传动比与夹持力,并在万能工具显微镜下测量了微夹钳原型的传动比与夹持力.试验结果表明:当微夹钳钳口尺寸为0.45mm时,微夹钳的平均传动比为22.89,最大夹持力为356.16mN,并且钳口的位移和夹持力与压电陶瓷的输入位移有良好的线性关系,与有限元计算结果基本吻合.这表明连续体拓扑优化方法在微夹钳的设计中有着重要指导作用.     

具有交互夹持力感觉的主从触感装置

面向血管显微外科手术，研究开发了一套具有交互夹持力感觉的主从触感装置．提出了主操作手的基本设计原则，并应用可操作性基本原理与方法进行机构构型综合，设计了主操作手的夹持力感觉装置；建立了主操作手的多体动力学模型，对运动过程中各关节动态特性进行仿真验证；基于夹持力的数学模型，分析了手指系统在不同模式下夹持力与运动关系．对整套系统进行性能测试与动物实验研究．实验结果表明：主操作手基于可操作性原理的综合构型具有较好的动力学特性，适合医生操作；手指的夹持力与两弹簧的弹力差成正比；该装置能够实现主从操作下的交互夹持力感觉．     

微创手术机器人丝传动器械的夹持力补偿模型

稳定有效的手术器械夹持力输出是保证机器人辅助微创手术顺利完成的基本条件.为实现手术器械夹持力的稳定输出,有效提高微创手术(MIS)机器人手术操作质量,提出了一种基于夹持力预测的力补偿模型.在此基础上计算了器械不同姿态下的开合关节驱动力矩的补偿量,利用该方法所构建的夹持力补偿模型可应用于对丝传动手术器械夹持力的输出控制中.该建模方法的优点是只需要用到姿态信息与夹持力信息两种数据,而无需考虑器械传动中间环节中的各种复杂因素对夹持力的影响.最后,通过基于样机系统的实验研究验证了所提出的微创手术机器人丝传动器械夹持力补偿建模方法的可行性.     

汽车碰撞中胸-腹部的生物力学响应与损伤评价

统计表明,在汽车交通事故中人体胸部和腹部的损伤占很大的比例.为了研究汽车碰撞事故中人体胸腹部的生物力学响应与损伤机理,文中利用建立的人体胸-腹部生物力学有限元仿真模型,并引入国际同行已进行的相同部位尸体实验研究数据,对碰撞过程中人体胸腹部的生物力学响应进行了仿真分析.文献尸体实验与仿真过程中胸腹部的受力、加速度、胸腹部压缩变形量以及应力、应变分布等指标的对比结果表明,仿真结果与实验数据具有很好的一致性.研究表明,人体胸-腹部生物力学响应的有限元模拟能够准确地反应碰撞过程中人体胸-腹部的损伤程度,文中提出的模型可以用于汽车车身结构、约束系统、防护系统等方面的安全性设计和评估.     

机械手夹持机构运动与控制的联合仿真

设计一种基于凸轮运动原理的简易机械手夹持机构,以期将其应用于机械臂的末端夹持装置和管道攀爬机器人的手爪。建立夹持机构的简化三维模型,在ADAMS环境下对其进行运动学与动力学仿真。通过ADAMS／Control接口模块,在Simulink中搭建夹持机构的联合仿真控制系统,利用三闭环PID控制方法进行机械系统与控制系统的联合仿真分析。仿真结果表明,所设计的夹持机构系统具有良好的动态响应和轨迹跟踪特性。     

饱和砂土应力应变控制试验动力特性的比较

利用振动扭剪试验,在应力控制和应变控制加载条件下,对饱和砂土材料的残余孔压累积特性及剪应力剪应变骨干曲线随孔压变化的瞬态特性进行了试验研究,并利用提出的弹塑性动应力应变本构模型,对应力控制和应变控制试验的瞬时滞回曲线及应变路径长度进行了分析比较,从多方面探讨了应力控制和应变控制加载条件下饱和砂土 态动力特性之间的内在联系。     

基于神经网络的渐开线圆柱齿轮动态优化设计

通过分析渐开线圆柱齿轮振动力学性能 ,建立了渐开线圆柱齿轮动态优化设计模型。利用BP神经网络映射齿轮动态响应与设计变量之间的函数关系 ,提高优化设计效率。对直齿轮传动动态优化设计的结果表明该方法是行之有效的。     

个性化下颌钛支架植入体的设计与生物力学评价

基于CT断层扫描图像数据,利用CAD、有限元分析技术重建正常下颌骨的三维几何、有限元模型.对模型进行分割,模拟下颌骨右侧体部缺损,参照天然下颌骨几何形态设计下颌钛支架植入体,并对其重建下颌骨的生物力学效果进行三维有限元分析.结果表明,钛支架植入体在咀嚼力作用下,义齿基桩颈部及预留种植孔周围应力较大,其他部位应力值较低且分布均匀;颈部的应力值随孔道直径的增加而明显降低,基桩高度与预留孔道深度的比例变化对应力大小及分布特性基本没有影响;钛支架植入体重建下颌骨在咀嚼力作用下,支架的应力比自然骨应力大1个数量级,呈现明显的应力遮挡效应;根据钛支架植入体上的应力分布状态对其进行镂孔设计,应力分析结果显示其强度依然满足功能要求.由以上分析结果可知,义齿预留孔道的深度在保证螺纹强度的前提下,可尽量减小,以减小钛支架的体积;钛支架植入体的镂孔设计在满足功能强度前提下,可以降低其整体尺寸,同时提高其结构生物相容性和临床实用性.     

横观各向同性饱和地基的稳态动力响应分析

基于双重Fourier变换技术,在直角坐标系下求解了横观各向同性饱和地基的三维Biot动力方程,得到地基位移分量、孔隙流体压力和总应力分量的积分形式一般解。继而利用一般解研究了横观各向同性饱和地基在任意分布的表面谐振力作用下的动力响应问题。     

转向驱动桥变径全空心半轴的设计及力学特性

基于材料低载强化特性,研发设计了一种新型转向驱动桥变径全空心半轴结构,建立了包含英制渐开线花键齿和合理的圆角过渡等精细特征的新型半轴三维模型,运用有限元法对新型半轴的模态振型、等效应力及疲劳寿命等力学特性进行了分析,结果表明:半轴的前10阶非零振型主要为弯曲变形,新型半轴的固有频率与实心半轴的固有频率相近,在使用过程中可有效避免共振;新型半轴等效应力最大值发生在花键末端圆角过渡部位,低于半轴材料的抗扭强度,满足强度设计要求;在扭矩为1 500N·m的交变载荷下,新型半轴疲劳寿命最小值发生在花键末端圆角过渡处,与半轴应力集中节点位置一致,实际加工制造时应采用半轴冷精锻和花键轴向冷挤成型技术,以提高新型半轴的强度和使用寿命.     

高庙子膨润土和砂混合物膨胀变形特性及其预测

以高庙子钠基膨润土为试验材料, 利用单向固结仪进行一维浸水膨胀、浸水湿陷以及膨胀力试验, 分析了该膨润土在不同掺砂率下浸水膨胀和湿陷变形特性等问题, 并根据蒙脱石孔隙比的概念, 分析了饱和时的膨润土及其掺砂混和物的变形特性. 试验结果表明, 在低掺砂率下充分吸水膨胀湿陷或不变形时, 膨润土与砂混合物的蒙脱石孔隙比与垂直应力的关系在对数坐标系中是一条直线, 并且可据此预测膨润土及膨润土掺砂混和物在不同的干密度、掺砂率下吸水至饱和时的变形量及膨胀力. 分析砂骨架孔隙比对高掺砂率膨润土混合物的试验结果, 可预测形成砂骨架时的垂直应力值.     

基于光致形变材料的光驱动微夹钳

针对目前微夹钳存在的一些问题,提出了一种基于光致形变材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)双晶片的光驱动微夹钳.首先对光微夹钳中的核心部件PLZT陶瓷的光致形变特性进行了研究,建立了PLZT陶瓷的新型光致伸缩模型;其次对PLZT双晶片式悬臂梁结构的驱动特性进行了分析;最后对柔性铰链放大结构进行了设计,并对其柔性铰链的承载能力进行了理论计算.计算结果表明,柔性铰链的承载能力满足使用要求,光微夹钳可实现远程光控而不受电磁干扰,可自主控制夹持与释放动作,其放大机构的放大倍数为24倍,且最大钳口距离可达3.880mm,基本满足大部分微型零件的操作需求,具有很好的通用性和适用性.     

NiMnGa合金实验特性及在差动式执行器中应用

利用自行设计的实验装置研究了NiMnGa合金样品静态时磁场与形变之间的关系,并且实测了交流磁场下温度、压力、磁场与样品形变的动态特性曲线,研究了NiMnGa合金样品的外特性。在此基础上,利用NiMnGa合金响应频率快、输出应变应力大等特点,设计了一种可以减少励磁功率、消除温度影响和提高控制精度的新型差动式NiMnGa合金执行器,阐述了其工作原理,制造了样机并给出了实验结果,验证了该设计方案和控制系统的可行性。     

两种土模型下饱和土中球空腔的动力响应

考虑土颗粒间库仑摩擦消耗的能量,采用弱非弹性介质模型研究饱和土中球形空腔的动力响应.基于Yamamoto模型,建立了具有球空腔饱和土体稳态振动的控制方程;通过引入势函数,分别得到了边界透水和不透水条件下饱和土体的位移、应力和孔隙水压力等解析表达式;利用界面连续性条件,确定了待定系数的具体表达式.以饱和砂土和粉土为例,分析了Biot两相饱和介质和Yamamoto两种土模型下饱和土中球形空腔动力响应的差异.在此基础上,分析了界面处具有球形空腔饱和砂土和粉土的径向位移、孔隙水压力和环向应力幅值随外荷载激振频率、空腔半径的影响.结果表明:在共振频率处,Yamamoto土模型下饱和土体的动力响应小于Biot土模型下饱和土体的动力响应;能量损失比对饱和土中球形空腔的动力响应有显著的影响.     

基于超弹性模型的牙周膜生物力学响应

牙周膜应力-应变关系表现为指数形式,为了更准确地研究牙周膜的生物力学响应,提出采用指数形式的超弹性应变能函数进行研究.基于连续介质力学理论推导出超弹性模型本构关系,使用人体牙周膜单轴拉伸实验数据并利用最小二乘法对超弹性模型进行参数拟合,同时进行拟合误差分析.结果显示较少参数的Mooney-Rivlin指数模型能更好地拟合实验数据.利用ABAQUS材料子程序UHYPER编制模型的接口程序,通过对拉伸实验情况的模拟计算,验证了开发的模型子程序的有效性.最后,比较分析了正畸力下的超弹性与线弹性牙周膜的生物力学响应.结果表明:应力和应变主要集中在牙周膜牙颈和根尖处,且超弹性牙周膜中部存在局部应力集中;Mooney-Rivlin指数模型能提高牙周膜瞬时弹性响应的预测精度.     

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明：孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.