升主动脉内球囊反搏术仿真

为了探究在升主动脉耦合球囊反搏泵并在其后加瓣膜的方法对心衰的辅助效果,根据电液比拟,在周身血液循环系统模型的基础上搭建升主动脉耦合球囊反搏泵模型和在球囊反搏泵后加瓣膜模型,根据等效电路图,建立数学方程.用Matlab完成数值模拟,探究2种方法对心衰的辅助效果,发现心衰状态下2种模型均能提高主动脉舒张期压力,减少左心室射血阻力、心室做功, 增加每搏输出量和射血分数.结果表明:2种模型对心衰均有辅助效果.对2种方法进行对比分析后发现,在球囊后放置人工瓣膜能防止外周血液在球囊放气时反流,并增强主动脉的抽吸作用,降低了主动脉窦压力,进一步减小了左心室射血阻力和心室做功,表明升主动脉耦合球囊后加瓣膜模型对心衰的辅助效果更好.     

双心室心脏泵内部流动非定常数值模拟

为了研究某新型离心式双心室人工心脏泵内部血液流动特性,采用CFD技术对泵设计工况下的内部流场进行数值模拟分析,获得了该心脏泵内部速度、湍流动能和切应力分布规律,同时得到了泵进口流量、作用在不同过流部件的轴向力和径向力变化情况,并对蜗壳处的压力脉动进行分析.研究结果表明:该型双心室心脏泵内部流场没有出现明显的流动死水区,满足心脏泵的抗血栓要求;泵内压力和切应力分布规律相似,整体分布均匀,满足抗溶血性能的要求;由于心脏泵的整体设计为对称结构,很好地平衡了左右叶轮的轴向力;较小的泵整体结构的径向力和转矩有利于心脏泵抵御瞬态的径向负荷;左右两泵蜗壳处的压力脉动呈现明显的正弦周期性变化规律,均含有6个波峰和6个波谷,且各监测点处压力脉动的主频为叶片通过频率,这是由于叶轮和蜗壳的动静干涉作用.     

股骨假体仿生微结构设计与分析

目前全髋关节假体性能与真实人体骨骼之间存在巨大差异,容易导致术后假体失稳,仿生微结构可有效解决由于应力遮挡引起的假体失稳问题。基于此,设计了新型仿生微结构股骨假体,以仿生结构(六面体立方、面心立方和体心立方单元结构)构建模型,模型之间保持相近的孔隙率(43%),进行有限元仿真模拟压缩试验,分析仿生微结构的变形、屈服应力、弹性模量等。研究发现,结构的等效弹性模量下降到24.0 GPa左右,与人体皮质骨17.0 GPa相近,其中体心立方结构最小,为22.2 GPa。在3种模型中,六面体立方的稳定性、刚度最强;体心立方的位移最大。研究表明,多孔仿生微结构能够降低弹性模量,改善应力遮挡问题,并对骨骼内生长具有促进作用。     

1 000 MW级核电站用喷淋泵泵壳安全性分析

安全壳喷淋系统是保障核电站安全的关键设施,该系统中的喷淋泵更是核电站的核心安全设备.以一台核电站用安全壳喷淋泵为研究对象,对其进行安全特性方面的研究,以验证其设计是否满足抗震规范要求.首先,对泵壳结构体进行模态分析;其次,对其结构体加载运行基准地震载荷和安全停堆地震载荷,并进行基于模态响应下的地震动分析;最后,对泵壳内壁表面加载热变载荷,并对结构体进行热冲击计算.结构体安全性分析的结果表明:喷淋泵壳体的基频为104.45 Hz,远大于33 Hz,为刚性结构,结构体振动方式以水平方向运动为主.热冲击作用下产生的高热应力区域集中在泵座与壳体交界处;地震动作用下的地震动效应高应力区域集中在壳体上的结构分布不均匀处.无论是在热冲击还是地震动作用下,高形变区域均集中在泵底.泵壳结构体上出现的最大应力小于ASMEⅡ所确定的材料许用应力,满足抗震规范要求.     

基于热固耦合的高温热水泵口环形变分析

为避免高温热水泵在运行过程中出现转子部件咬合现象,对TEG 200-400型高温热水泵的口环间隙进行分析.利用ANSYS Workbench软件,对TEG 200-400型高温热水泵在不同温度下的热固耦合进行有限元分析,得到泵盖冷却水腔有无冷却冲洗以及不同温度条件下的泵口环的形变量.结果表明:冷却腔的冲洗对叶轮口环的位置形变影响较大,高温热水泵的使用过程中,尽量降低泵盖与托架连接处的温度,有利于减小叶轮口环的变形;泵体口环和叶轮口环形变量随介质温度的升高而增大,依据运行介质的温度、泵的自身结构、材料特征等,对热变形进行合理预估并选择设计口环间隙,可避免泵启动及运行时泵体口环与叶轮口环之间的动静摩擦;在250℃设计温度条件下,叶轮口环与泵体口环的半径间隙取为0.6 mm的方案是合理的.研究结果为合理选择叶轮口环和泵体口环之间的间隙提供了一定的依据.     

核电站余热排出泵热冲击回路设计

为检验余热排出泵的耐热冲击能力及其运行稳定性,基于能量守恒定律和冷态、热态回路不同工况的实际要求,设计了热冲击回路系统,并对主要设备进行热平衡计算,以确定设备型号.设计的热冲击回路系统包括冷态、热态两回路,通过三通阀的自动切换作用,进行冷态、热态条件的及时切换试验,以模拟核动力装置中余热排出泵的实际工作状况.试验结果表明,设计的余热排出泵热冲击回路系统可较为真实地模拟核动力装置实际运用情况;对设备进行的热平衡计算确定了主要设备型号;构建便捷的冷态、热态切换方式,可验证泵各部件的耐热冲击能力.     

微泵研究进展

介绍了近十几年特别是近几年来微泵研究的最新成果,根据有无可动阀及不同的驱动方式,比较系统地介绍了压电驱动微泵、静电驱动微型泵、双金属驱动微泵、形状记忆合金薄膜驱动微泵、热驱动薄膜微泵、收缩-扩张型微泵、电液动力微泵(E H D泵)、热驱动型微泵、热气致动微泵、基于粘性的微泵、双膜微泵、磁动力微泵等各种微泵的结构、原理、应用情况,展望了微泵的发展前景.     

轴流血泵最佳左心辅助下的 速度变化及内流场分析

为解决轴流血泵恒压或恒转速辅助时产生的抽吸或反流现象,以自主研发的主动脉瓣轴流血泵为研究对象,建立“轴流血泵-血液循环系统”串联耦合多尺度参数模型,得到血泵变转速辅助时在各级心衰条件下达到最佳辅助状态时的转速变化曲线.相比恒转速辅助,变转速辅助的血流动力学结果与正常心脏的拟合度更高,也符合人体生理.采用CFD技术对Ⅳ级心衰下2种辅助状态在一个心动周期中的内流场进行比较分析,发现变转速辅助下,轴流血泵在等容收缩期、等容舒张期、充盈期会产生明显的涡流,过流时间较长,但剪切应力较小,不会造成溶血;在射血期,变转速辅助的流动更加稳定,没有涡流现象产生,但其剪切应力在0.10 s内高于临界值500 Pa,会产生溶血现象.     

带仿生结构的内燃机活塞裙部优化设计

以捷达1.6 L汽车内燃机为试验母体,将黄缘真龙虱体表的减阻、耐磨凹坑结构应用于内燃机主要摩擦副活塞裙部上,并进行优化设计。首先,根据龙虱体表凹坑排布的形状和结构尺寸确定仿生孔径和间距范围,通过相对速度减阻率选定最优仿生孔径。其次,根据标准活塞裙部热-结构耦合分析应力排布情况,设计变孔径、变行间距排布的仿生孔,并制定正交试验方案。对仿生活塞模型进行有限元热-结构耦合分析,选取3个典型目标变量作为试验指标,进行优化设计得出主次因素和最优组合。最后,选取标准活塞、最优性能仿生活塞、最优组合活塞,进行内燃机耐久性台架试验。通过检测各个气缸活塞运行至上止点时其顶部温度、气体压力变化率、活塞磨损量、磨损后活塞裙部表面粗糙度验证了仿生活塞减阻、耐磨的优越性。     

V、Nb与变形条件对含钒微合金钢形变强化相变的影响

为探明钢中微合金元素(V、Nb)与变形条件对含钒钢形变强化相变的影响规律.为制备含钒超细晶粒钢提供理论依据,通过对含钒钢进行形变强化相变热模拟试验,分析得出V、Nb的影响为:固溶V、Nb不利于形变强化铁素体相变的进行;V(C,N)、V-Nb(C,N)可以在多道次变形中沉淀析出,成为铁素体的异质形核核心,同时析出相对晶界及亚结构的钉扎作用使铁素体晶粒细化.研究表明,多道次变形时,道次间隔时间越短,温度越低,则累积的有效变形量越大,钢的形变强化相变越易进行.含钒钢超细晶铁素体体积分数越大.     

离心泵叶片仿生非光滑结构的布置位置

为研究离心泵叶片上仿生非光滑减阻效果与仿生非光滑结构布置位置的关系及离心泵水力效率对仿生结构布置位置的敏感程度,将仿生非光滑结构分别均匀布置于离心泵叶片的6种不同位置上.利用ANSYS软件进行数值模拟,研究了目标流量下6种方案离心泵的性能参数及叶轮内部流动情况,将根据数值计算结果得到的仿生非光滑结构的最佳布置方案与常见布置方案在全流量下进行对比分析,并在应用相同仿生非光滑结构布置方式的前提下,分析了粗糙度的影响.结果表明:该离心泵模型在目标流量下,应用仿生叶片后,其水力效率变化有限,而叶片壁面上平均剪应力相较于光滑壁面情况下降最大约12.7%;布置于任意位置的仿生非光滑单元均能在一定范围内产生减阻效果,相邻仿生单元对于同一壁面位置的减阻效果不具有线性叠加关系;在全流量下,将仿生非光滑结构布置于叶片背面的中部,相比于将其布置于叶片背面的出口部分,增效率与减阻率均更为优秀,且2种方案的增效率与减阻率随流量变化的趋势较为相近;粗糙表面尽管能和仿生结构表面一样在近壁面形成低速层,但无法实现减阻效果.该研究表明,仿生结构对离心泵水力效率的影响与模型本身有关,在使用一定个数的仿生凹坑单元的前提下,应尽量将凹坑布置在剪应力大处.     

免耕播种机动态仿生破茬装置设计与参数试验优化

针对中国东北地区玉米秸秆粗壮量大、不易腐烂,造成免耕播种机破茬防堵装置秸秆根茬切断率低和作业所需切割扭矩大的技术难题,以蝗虫口器多段阶梯锯齿状结构和双上颚异向等速咬合运动方式为仿生原型,设计一种可在东北地区实现高效破茬防堵作业的动态仿生破茬装置。通过仿生构建、机构设计、理论分析和参数优化等方法设计了行星齿轮变速机构和仿生破茬刀;运用Arduino系统和智能控制方法设计了智能驱动系统,实现了运动方式-结构耦合仿生;通过参数优化试验和回归分析等方法,研究了结构和作业参数对秸秆切断率和切割扭矩的影响规律,并得出最佳参数组合:作业速度为10 km/h,回转半径为250 mm,正转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为9,反转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为18;最终通过对比试验得出动态仿生破茬装置相较于被动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率22.6%~27.4%;相较于驱动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率8.6%~13.5%,降低扭矩输出19.5%~21.8%;作业后使用共聚焦激光扫描仪进行耐摩擦磨损对比试验,其平均表面粗糙度和最大磨痕深度相较于驱动缺口圆盘破茬刀分别下降14.5%和15.9%。     

高速低阻防过载犁耕装备的设计与试验

针对翻转犁能耗高、易粘附、易遭冲击破坏等问题，研制了一种高速智能液压翻转犁，优化了整机结构与配置参数。以穿山甲体表的鳞片三角圆弧状结构和蜣螂体表的凸包结构相结合作为仿生原型设计了一种仿生犁体，并设计了一种双向犁耕装备的过载保护自动避障机构，得到平衡状态下对应所需的弹簧预紧力为9.75KN，取安全系数为1.3，设置初始状态预紧力为12.67KN。建立了犁体耕作过程离散元仿真模型。仿生减粘犁体相对传统犁体土壤减粘性能提升44.15%，减阻7.8%。耕深稳定性变异系数2.86%，土垡破碎率97.1%。研究结果可为高速智能液压翻转犁设计及改进提供参考。     

仿生几何结构表面深松铲铲尖设计与试验

深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题.采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面.通过室内土槽试验,考察...     

长短叶片离心泵研究现状与发展趋势

分析了按传统方法设计的低比速离心泵水力性能方面存在的问题，并对低比速泵常见的几种水力设计方法（加大流量设计法、无过载设计法、面积比设计法和长短叶片设计法）进行了简要评述．详细地综述了国内外长短叶片离心泵的试验研究、设计理论研究方面的成果及现状．概要阐述了泵的设计理论、内流场测试技术和数值模拟研究的历史进程，并就长短叶片离心泵研究发展趋势作了展望．     

Computational fluid dynamics of left ventricular assist device under unsteady flow

Left ventricular assist device (LVAD) in this study is a mechanical tool that is used to support blood flow in the patient with heart disease. It supports left ventricle by building up the pressure to the pump outlet connected to the aorta. This pump was designed based on the magnetic driven centrifugal pump with a unique small washout hole constructed inside the impeller to generate the washout flow passage to prevent the stagnation at the region underneath and around the rotor. Computational fluid dynamics (CFD) was adopted in this study to assess the performance and optimize the design to avoid recirculation and high shear stress which is the main cause of stagnation and blood damage. Transient simulation was used for this study due to the asymmetric design of the washout hole and the complication of the bottom support of the impeller that have a risk of thrombosis, also, it was used to predict the variation of hydraulic performance caused by the rotation of the impeller and pulsed flow at the pump inlet. The simulation results show no excessive stress and no recirculation observed within the computational domain; in addition, the research result also provided information for further optimization and development to the pump.     

高含水率玉米仿生脱粒元件设计与试验

为减少玉米脱粒装置造成的籽粒破损,研发适用于高含水率玉米脱粒装置,以先玉335品种玉米为脱粒对象,进行了脱粒元件的仿形、刚柔耦合作用设计,以及凹板的栅格板仿形设计与制作。通过简易脱粒装置对仿生脱粒元件脱粒原理进行了分析与试验验证,并与现有短纹杆式脱粒元件的脱粒性能进行了对比。试验结果表明:当玉米籽粒含水率在25%~33%范围内、采用相同凹板时,两种脱粒元件造成的玉米破损率均随籽粒含水率的升高而增大,且纹杆式脱粒元件的玉米破损率明显高于仿生脱粒元件的破损率;凹板栅格板采用仿形结构的玉米脱粒破损率小于栅格板斜面为45°结构的破损率。本研究为高含水率玉米脱粒装置的设计开发提供了理论依据。     

螺旋离心泵叶片变螺距型线方程

根据螺旋离心泵的结构特点,基于叶片式流体机械内固液两相双流体模型的流速比理论,分析了螺旋离心泵叶片型线的螺距变化规律,推导出固液两相流螺旋离心泵叶片变螺距型线的参数方程.依据给定的设计参数和固相体积分数,采用推导出的叶片型线方程设计出叶片型线,并生成叶片三维模型,叶片表面光滑平整.对该叶片形成的水力模型进行了外特性清水试验,并用该三维模型对固相体积分数分别为5%,10%和15%时的固液两相流动进行了数值分析.结果表明：介质为固液两相流时泵的效率较输送清水介质时有所提高,特别是在设计工况,当固相体积分数等于设计给定值时,泵的效率可提高8.5%;当偏离给定的固相体积分数值时,效率有所降低;在输送固液两相流介质时泵的扬程较输送清水时的扬程有所降低,且随着固相体积分数的增大扬程逐渐降低.     

仿生非光滑筛面近筛层微观气流场研究

以入风口角度和筛面形态为试验因素,对仿生非光滑筛面近筛层微观气流场进行了数值模拟研究,并对仿生非光滑清选筛和普通光滑清选筛进行了田间对比验证。试验结果表明：入风口角度对清选筛面上近筛层内的微观气流场基本没有影响;仿生非光滑筛面形态将筛孔间近筛层内的单个小漩涡分解为2个小漩涡,致使漩涡流线不能完全地从筛面经过,使得细小油菜物料难以与仿生非光滑筛面充分接触,起到了减粘作用;仿生凸包的减粘作用较仿生凹坑明显。