关键词： 双叶机械心脏瓣膜   血流动力学   主动脉   计算流体动力学   动网格  

摘要： 心脏瓣膜在人体血液循环系统中扮演着关键角色,它保证血液的单向流动。当人体心脏瓣膜发生病变后,瓣膜置换术是治疗心脏瓣膜疾病的重要手段,双叶机械心脏瓣膜（BMHV）因其耐久性是临床上最常采用的人工心脏瓣膜。然而植入BMHV后会引起一些并发症,如溶血、血栓栓塞等,且需要终身服用抗凝药物。这些并发症通常是由于植入BMHV后诱导的非生理性血流动力学环境导致的血细胞损伤引起的。使用计算流体动力学（CFD）分析机械心脏瓣膜血流动力学可获得更详细的流场细节特征,有助于解释临床现象和支持治疗决策。本文以主动脉位置BMHV为研究对象,采用数值仿真分析的方法对其血流动力学特性进行详细研究,以期为BMHV的血流动力学性能优化提供理论基础。本文具体的研究内容如下: （1）通过对流体力学基本方程组的求解和湍流模型验证,建立了BMHV数值计算模型,使用Fluent数值模拟软件,完成了主动脉BHMV的动态模拟,通过实验验证证明了仿真分析的可靠性与准确性。 （2）分析了主动脉位置BHMV在左心收缩期内血流动力学特性。收缩峰值时,最大血液流速为1.25 m/s。血液输运主要靠大尺度涡,射流到达主动脉窦后,在窦壁处产生涡旋,并最终分解为小尺度涡消散。在整个左心收缩期期内监测到最的粘性剪应力为8 N/m2,对血细胞基本没有损伤,但对血小板可能有潜在的损伤。在动脉窦有较大的湍动能分布。 （3）在不同生理状态下对主动脉位置BHMV下游收缩期内的速度分布、涡演化、粘性剪切应力以及雷诺剪应力分析。结果表明,运动状态下血液以2.1 m/s的速度冲击主动脉窦与升主动脉的连接处,血液与该处壁面的作用显著强于其他两种状态。三种生理状态下最大粘性应力水平远低于对红细胞造成损伤的粘性应力水平,因此植入BMHV最可能的并发症是凝血而不是溶血。三种生理状态下,雷诺剪应力的总体水平比粘性剪应力大一到两个数量级。 （4）分析了不同曲率瓣叶BMHV下游的血流动力学特性。在瓣叶为曲面的情况下,由于中间孔孔口面积增加,三射流分布更加均匀。随着瓣叶曲率的增加血液流动特征有较大的不同,曲面瓣叶使得瓣叶表面的流体产生旋转作用,使得瓣叶下游的涡分布更加混乱,但是瓣叶下游的涡强度逐渐降低。对剪切应力相关指标的分析表明,随着瓣叶曲率的增加,TWASS值逐渐减小。在升主动脉段,随着瓣叶曲率的增加,OSI出现了上升的趋势。在低WSS和高OSI区域通常出现较高的RRT。对OSItr的分析表明,随着瓣叶的曲率增加,OSItr值逐渐降低。主动脉壁面的剪切力可能影响血管壁的应力分布、内皮细胞功能以及血管的结构和功能健康。这种变化可能对心血管疾病的发展有重要影响,特别是动脉粥样硬化和血栓形成。理解这些变化对于预防和治疗心血管疾病可能具有重要意义。 以上研究结论,不仅可以为术前机械心脏瓣膜选择、术后患者康复治疗提供理论依据,还可以为机械心脏瓣膜的优化提供方向,进一步提高瓣膜置换手术的成功率和患者的生活质量。

关键词： 关节间隙   四足机器人   机械腿   接触力模型   动力学特性  

摘要： 随着机器人技术的发展,四足机器人因其出色的地形适应能力和稳定性,被广泛应用于军事侦察、灾难救援等多个领域。机械腿作为四足机器人的重要组成部件,决定了机器人的工作适应性、行走速度等核心应用性能。然而,在实际运行中,机械腿因受到制造误差、加工精度等因素的影响,易导致其产生关节间隙,进而影响到四足机器人的动态性能。因此,对含关节间隙四足机器人机械腿的动力学特性进行深入研究具有重要意义。本文以四足机器人机械腿为研究对象,探究了关节间隙对四足机器人机械腿动力学特性的影响。具体研究内容如下: 首先,对关节间隙进行了描述,并利用碰撞铰方法研究了关节间隙的特性,进而构建了关节间隙的矢量模型和数学模型。分析了基于Hertz接触理论的间隙接触碰撞力模型,并在此基础上构建了一种基于Flores碰撞接触力模型的含关节间隙四足机器人机械腿动力学模型,为后续的研究提供了理论基础。 其次,基于上述理论,通过将Flores接触碰撞力模型嵌入到Adams动力学仿真软件,对含关节间隙的四足机器人机械腿进行了动力学仿真。仿真结果表明:随着间隙尺寸参数、行走速度参数以及负重参数的增大,间隙关节的振动幅度也随之增大,而且关节中的碰撞力频率逐渐增加,碰撞力明显增大;在铝合金、45号钢、ABS塑料三种材料中,铝合金关节的关节间隙碰撞力变化最小。以上研究阐明了含间隙机械腿关节接触碰撞动力学特性及其碰撞规律。 然后,通过动力学仿真,进一步探究不同关节参数以及不同机械腿工况参数对机械腿动力学特性的影响。仿真结果表明:随着间隙尺寸参数、行走速度参数以及负重参数的增大,小腿摆动的频率变化越大机械腿小腿质心处的角速度与加速度变化越剧烈;在铝合金、45号钢和ABS塑料三种关节材料中,铝合金材料提供了最为稳定的动力学表现,其对机械腿小腿质心处的角速度与加速度影响最小。此外,通过搭建含关节间隙机械腿实验平台,对上述动力学仿真进行了实验验证,实验结果与仿真结果在整体上有着相同的变化趋势,验证了仿真实验的准确性和实用性。上述研究揭示了关节间隙对四足机器人机械腿动力学性能的影响机制。 最后,基于D-H法建立了含关节间隙的四足机器人运动学模型,在此基础上,利用Adams对含关节间隙的四足机器人进行了运动学仿真,结果表明,随着关节间隙尺寸的增加,四足机器人机身质心的位移波动越明显,四足机器人的稳定性逐渐降低,从而影响了四足机器人的整体性能。以上研究进一步揭示了关节间隙对四足机器人行走响应特性影响机制。

关键词： 协作机器人   刚柔耦合机械臂   动力学建模   模糊PD   轨迹跟踪  

摘要： 随着机器人技术深入到各行各业,人机协同的工作模式开始备受人们青睐。协作机器人的出现极大提高了自动化生产的工作效率,然而控制失稳和智能化程度不足常会导致事故发生,严重甚至会威胁到人身安全。本文参考空间机械臂臂杆长、轻质和负载能力强的结构优势,搭建了一台桌面级、模块化的协作机器人,并利用智能优化算法提高机械臂关节轨迹规划与轨迹跟踪控制等方面的能力。具体研究内容如下: (1)参考空间站大型机械臂的结构特点,本文搭建了一台桌面级、模块化的轻型协作机器人。并利用假设模态法描述柔性机械臂的变形,根据多种参数综合确定最优模态阶数,联合拉格朗日法求解得到该机械臂系统的刚柔耦合动力学模型。最后利用MATLAB对该系统的整体刚性化模型、刚柔耦合动力学模型,以及利用虚拟样机技术对其三维模型进行相同关节输入下的仿真实验,验证了该动力学模型的正确性。 (2)针对柔性机械臂在运行期间因加速度突变引起的振动问题,采用“3-5-3”混合多项式进行轨迹优化处理,改善各个关节角位移、角速度和角加速度曲线的光滑连续性。考虑到传统求解方法中系数计算繁琐以及各阶段速度和加速度最优值选取困难等问题,同时为提升系统响应速度,提出利用非线性分段正切惯性权重函数和基于三角函数动态调整学习因子来改进自适应粒子群优化算法,并对该混合多项式的插值轨迹进行时间上的优化设计,提高混合多项式系数求解的效率,并改善各个关节角位移、角速度和角加速度的轨迹曲线。 (3)以时间为优化目标进行轨迹规划会导致各关节的角速度和角加速度增加,容易诱发柔性臂在工作过程中产生振动而影响系统稳定性与电机的正常工作。因此以路径点为约束,对该优化轨迹进行多项式拟合以改善轨迹运行的速度和加速度,同时引入具有一定鲁棒性的PD和模糊PD主动控制方法,观察机械臂各关节的轨迹跟踪情况。针对两种常规方法在参数求解与模糊规则制定时,受人为经验影响较大且控制精度有限,故提出一种基于改进自适应粒子群算法的模糊PD控制方法(MAPSOFUZZYPD),实现对PD参数的在线自适应调整,提高关节跟踪目标轨迹的控制性能。 (4)搭建二自由度柔性机械臂实验平台,利用MC Workbench和Cube MX软件设计关节直流无刷电机的FOC控制程序。使用MDK5等软件编写PD控制器、模糊PD控制器以及MAPSO-FUZZYPD控制器模型,并进行轨迹跟踪实验测试。对比三种控制器的输出结果,验证了本文设计改进模糊PD控制器的可行性与有效性。 本文在研究多路径点的轨迹跟踪问题时,将优化目标轨迹与轨迹跟踪控制相结合,对机械臂各关节的实时跟踪控制性能进行优化,并分别从理论和实物平台两方面进行控制器设计与实验验证。研究结果表明两种方法相结合,有助于对相关控制参数进行实时优化,可进一步提高系统关节的轨迹跟踪性能。

关键词： 主动脉瓣钙化   机械瓣膜   血流动力学   数值模拟  

摘要： 主动脉瓣钙化是常见的瓣膜性心脏病,严重时会影响主动脉瓣的打开与关闭功能,导致主动脉多项血流动力学参数的变化。目前主要通过手术植入机械瓣膜治疗主动脉瓣钙化,但国内针对手术后植入机械瓣膜情况研究处于起步阶段,且人体实验较为困难。因此本研究针对主动脉瓣植入机械瓣膜后的流场情况进行仿真研究,并与无病变的情况对比,以寻找合适的结构提高机械瓣膜使用寿命,保障患者身体健康。由于单叶式机械瓣膜最大开启角度为70°(与瓣膜平面夹角),本文对比无病变状况下,植入单叶式机械瓣膜开启25%、50%与75%的瓣膜开启角度(百分百开启角度为90°),植入双叶式机械瓣膜开启25%、50%、75%与100%时,对应心动周期时间点内主动脉的血流流动特性、血流压力、壁面剪切应力与瓣膜受力四个方面的参数分析。得到以下结论: (1)建立了包括主动脉瓣膜、主动脉弓、头臂干动脉,左颈总动脉、左锁骨下动脉及降主动脉的完整主动脉模型,针对无病变情况,植入单叶式机械瓣膜及植入双叶式机械瓣膜进行仿真。依据入口血流特征,本研究模型设置脉动入口,血液设置为非牛顿流体(UDF实现血液粘度变化)。对比文献实验数据,CFD仿真结果的压差与文献中实验结果的误差在2.12%-12.83%内,表明了该模拟方法的可行性。 (2)对于无病变情况,由于没有瓣膜的阻碍,血流直接冲击主动脉弓,对主动脉弓造成巨大压力。最大流速与压强均发生在收缩期,最大流速发生在头臂干动脉,为2.08 m/s,最大压力出现在升主动脉弓处,为2281.5 Pa。舒张期时,三根分支血管血液开始出现回流,并在主动脉弓处出现旋涡。主动脉弓及主动脉瓣窦部区域出现负压,是由于血液回流出现旋涡导致。壁面剪切力在左锁骨下动脉入口处一直处于最大值,为42.3 Pa,表明该处承受更大剪切应力,更易导致动脉粥样硬化。 (3)与无病变情况对比,单叶式机械瓣膜的存在使得有效开口面积减小,血液通过机械瓣膜需要更长的时间,血液集中在入口处出现间隙流,导致血流速度急速增加,对机械瓣膜造成巨大压力,25%开度最大速度为4.34 m/s,最大压强为8569.6 Pa。随着单叶式机械开口角度的增加,这一状况得到缓解,当开度达到75%时,最大血流速度为2.09 m/s,最大压强为2665.3 Pa。通过对时间平均壁面剪切力的计算得出机械瓣膜主要影响主动脉窦处,较小的开度会大大增加主动脉窦处的壁面剪切力。三种开度下的单叶式机械瓣膜受力趋势大致相同,但随着开度的增加,膜片上的压强逐渐减小,对机械瓣膜的压力降低。所以75%开度是最合适的,能有效防止间隙流的出现并降低主动脉内血流速度,压力和壁面剪切力,合理的开度能增加机械瓣膜的使用寿命,减缓血流对脉的冲击,降低主动脉夹层的发病率。 (4)与无病变情况对比,双叶式机械瓣膜的存在更有效的减缓了血流的通过时间,让血流更持续平稳的从左心室泵入主动脉内。与单叶式机械瓣膜相比,双叶式机械瓣膜在相同的开度下有更大的有效开口面积,降低主动脉窦部区域的压力,并且随着开度的增加能降低血流通过时间,降低主动脉弓内血流的流速与压强。就压强而言,100%开度时双叶式机械瓣膜展现了更大的最大压力,为2556.1 Pa。就壁面剪切力而言,25%开口最大承受433.5 Pa的壁面剪切力,并且持续时间长,而100%开口最大承受43.9 Pa的剪切力,并且整体壁面剪切力远低于25%开口。不同开度下双叶式机械瓣膜受力表面压强强度差别不大,但100%开度时由于阻碍血液回流的面积更小,机械瓣膜上表面上压强更小,所以100%开度是最优的,有助于延长机械瓣膜使用寿命。 流体力学数值仿真可以通过产生与人体本身循环条件相接近的流场,模拟血液流动的过程,测试不同机械瓣膜在不同生理条件下,即各种流速、流量和压力下的血液动力学参数,用来作为客观分析评价瓣膜的流体力学性能指标。研究结果有助于对瓣膜类疾病提供血流动力学上的帮助,为后续机械瓣膜设计提供新思路。

关键词： 劳动力转移   耕地抛荒   农业机械化   粮食安全   调节效应  

摘要： 粮食的稳定生产与有效供给是我国粮食安全的重要保障。而耕地作为粮食生产的载体,有着极强的不可替代性,其利用率高低也直接关系着我国粮食安全和农业可持续发展。随着二三产业的快速发展,农村劳动力大量转移至城市从事非农工作,致使农业劳动力严重不足和老龄化态势加剧,耕地抛荒现象愈发严重,18亿亩耕地保护红线备受威胁,因此探究劳动力转移如何影响耕地抛荒是值得深思的问题。 本文基于2014、2016和2018年中国劳动力社会调查(CLDS)的三期面板数据,实证分析了劳动力转移对耕地抛荒的影响及作用机制。首先,本文通过梳理总结相关文献,并基于劳动力转移理论、诱致性技术变迁理论、机会成本理论,对劳动力转移、农业机械化和耕地抛荒的内在逻辑进行分析,提出本文的研究假说。其次,利用面板Probit和面板Tobit模型检验劳动力转移对耕地抛荒的直接影响,并在此基础上利用调节效应模型检验农业机械化在劳动力转移与耕地抛荒中的作用,最后,进一步探究了不同异质性因素下劳动力转移对耕地抛荒的影响。 结果表明:(1)劳动力转移显著增加了耕地抛荒行为和耕地抛荒率。在更换变量、改变样本容量的稳健性检验和基于工具变量的内生性讨论后,研究主要结论仍然成立,基准回归结果是稳健的。(2)调节效应结果表示农业机械化的使用确实削弱了劳动力转移对耕地抛荒的恶化影响,对劳动力有一定的替代作用,缓解了因农业劳动力不足导致的耕地抛荒,具有显著的负向调节作用;在更换调节变量的稳健性检验后,农业机械化的负向调节作用仍起作用。(3)异质性分析显示相比当地劳动力转移,外地劳动力转移对耕地抛荒行为和耕地抛荒率的影响更显著,农业机械化的负向调节作用在缓解外地劳动力转移导致的耕地抛荒效果上更显著;相比粮食主产区,粮食非主产区的劳动力转移对耕地抛荒的影响更显著,农业机械化的负向调节作用仅在非主产区显著;农业收入占比≤50%的家庭组的劳动力转移对耕地抛荒的影响更显著,农业收入占比>50%的家庭组的劳动力转移对耕地抛荒的影响不显著,农业机械化的调节效应对耕地抛荒行为的影响无差别,对耕地抛荒率的影响不同;农业机械化的负向调节效应存在村庄地势差异性,仅在平原地区起作用,在山区和丘陵不起作用。 针对以上研究结果,提出针对性的建议及对策:(1)增加农业收益,减少城乡收入差距。通过加强农业方面补贴、完善土地流转制度增加农业的直接收入和潜在收益,缩小与外出务工的收入差距。(2)加大农业机械化的发展和应用,提高劳动生产效率。加强适合丘陵地势的机械设备,充分发挥农业机械化的替代作用。(3)采取耕地抛荒差异化治理手段。不同耕地价值、不同粮食产区、不同村庄地势类型的耕地需差异化整治,因地制宜制定针对性的解决措施。

关键词： 机械动力艺术   时间解构   非线性时间   技术哲学  

摘要： 以20世纪机械动力艺术为研究对象,探讨其如何通过机械装置解构线性时间观并批判技术社会的时间异化。从工业革命的技术驱动切入,以瑞士艺术家让·丁格利《自毁机器》的失控瓦解与美国雕塑家亚历山大·考尔德移动雕塑的循环韵律为例,分析动态雕塑对时间流动性、断裂性与偶然性的呈现。并结合德国哲学家胡塞尔现象学的时间意识、德国思想家海德格尔存在论的时间性及德里达解构主义的非同步性理论,揭示机械动力艺术与哲学的双向对话。结果表明,机械动力艺术以非线性时间体验颠覆技术理性规训,其跨学科对话为数字时代时间感知研究提供启示。