一种离心式高加速度加载机的研制

发布时间：2017-09-16 06:40

  本文关键词：一种离心式高加速度加载机的研制

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【摘要】：随着航空航天技术的发展,高加速度环境对生物体的力学生物学影响越来越受到重视,研究表明高加速度对器官、组织、细胞和分子水平都有影响。而对于高加速度环境模拟,航天航空部门有高加速度加载的专用设备,例如垂直落塔和载人离心机等。但对于一般实验室,高加速度环境对生物体的力学生物学影响的研究缺乏条件。实验室内,普通离心机功能主要是用于离心分离和样品制备,可用于细胞加载的离心机甚少,特别是针对贴壁细胞加载的更少,现存的离心机已经无法满足目前的实验要求。本文根据目前普通离心机和细胞培养环境,针对贴壁细胞离心加载设计了一种体积小、噪音低、安全性能高的新型离心加载装置。本课题研制了用于贴壁细胞加载的离心式高加速度加载机,并且还设计了角度可调式转子。首先,分析了国内外高加速加载装置的结构形式和工作原理,总结了它们在应用时的优点和缺点,结合本课题实验要求,确定设计指标,即离心加载机要实现0-40g的恒加速度加载和0-0.8g/s的变加速度加载,并制定了本离心加载机的设计方案。然后,建立机身结构的三维模型,选择旋转电机等零部件。对于离心式高加速度加载机转子,其特点是可以对培养板和培养瓶直接进行加载,先利用SolidWorks建立三维模型,再利用ANSYS有限元分析软件对离心式高加速度加载机转子进行有限元分析,在确定转子结构满足强度和安全性要求后,进行加工制造。在使用转子时,对培养板和培养瓶进行装夹前,培养板和培养瓶要装满培养液,防止加载时贴壁细胞与培养液之间存在气泡,影响加载效果。而且,培养板要密封且用夹板夹紧,培养瓶拧紧瓶盖,以免造成培养液泄漏。然后,要对密封的培养板和培养瓶进行配平,保证转子对称两侧质量分布均匀。而角度可调式转子根据角度不同可以进行恒加速度和梯度加载,并且可以用于动物离心加载,同样,先利用SolidWorks建立三维模型,确定转子在功能上的可行性,再利用ANSYS Workbench对角度可调式转子不同角度进行有限元仿真分析,分析其在各角度的应力、应变情况,分析表明转子结构满足强度和安全性要求。本课题将机械设计与生物力学相结合,设计的离心加载装置可用于高加速度加载下细胞的力学生物学研究。这种新型离心加载装置的研究,为细胞离心加载提供了一种方便的方法,也为高校、公司及科研单位等在离心加载方面的研究提供了一种新途径。
【关键词】：高加速度 离心加载机 力学生物学 有限元分析 转子
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V416.8
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题研究的目的和意义11-12
• 1.2 高加速度加载装置的研究现状12-16
• 1.2.1 国内外研究现状12-15
• 1.2.2 目前国内外研究所存在的问题15-16
• 1.3 本课题的研究内容和创新之处16-18
• 1.3.1 本课题的研究内容16
• 1.3.2 创新之处16-18
• 第二章 离心式加载机结构设计18-25
• 2.1 离心机的原理及分类18-19
• 2.1.1 离心机的原理18
• 2.1.2 离心机的分类18-19
• 2.2 航空航天对离心机设计的性能要求19-20
• 2.2.1 离心机对航天技术的影响19
• 2.2.2 离心机设计的规定19-20
• 2.2.3 离心机常用参数20
• 2.3 离心式高加速度加载机的设计要求和技术指标20-21
• 2.3.1 离心式高加速度加载机的设计要求20
• 2.3.2 离心式高加速度加载机的技术指标20
• 2.3.3 离心式高加速度加载机的技术路线20-21
• 2.4 离心式高加速度加载机的机身设计21-22
• 2.5 零部件的选择22-24
• 2.5.1 电机的选择22-23
• 2.5.2 联轴器的选择23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第三章 离心式高加速度加载机转子的研制25-34
• 3.1 离心机转子及分类25
• 3.2 离心式高加速度加载机转子的结构设计25-28
• 3.2.1 离心式高加速度加载机转子的结构和工作原理26-27
• 3.2.2 离心式高加速度加载机转子的使用27-28
• 3.3 离心式高加速度加载机转子的离心特性28-29
• 3.4 离心式高加速度加载机转子强度的实验验证29-32
• 3.4.1 培养板和培养瓶的密封29-31
• 3.4.2 培养板和培养瓶的在转子内的装夹31
• 3.4.3 培养板和培养瓶的加载31-32
• 3.4.4 加载实验结果32
• 3.5 本章小结32-34
• 第四章 离心式高加速度加载机转子的有限元仿真分析34-41
• 4.1 ANSYS软件简介34
• 4.2 有限元模型的建立34-37
• 4.2.1 有限元建模原则34-35
• 4.2.2 在ANSYS中建立有限元模型35-36
• 4.2.3 网格划分36-37
• 4.2.4 施加载荷及约束37
• 4.2.5 后处理37
• 4.3 仿真结果与分析37-38
• 4.3.1 平衡状态下转子系统仿真结果分析37-38
• 4.3.2 危险工况下转子系统仿真结果分析38
• 4.4 危险工况下旋转轴的静力学验证38-40
• 4.5 本章小结40-41
• 第五章 离心式高加速度加载机角度可调式转子的设计41-46
• 5.1 离心式高加速度加载机角度可调式转子的设计要求和技术路线41-42
• 5.1.1 离心式高加速度加载机角度可调式转子的设计要求41
• 5.1.2 离心式高加速度加载机角度可调式转子的技术路线41-42
• 5.2 离心式高加速度加载机角度可调式转子的结构设计42-44
• 5.2.1 离心式高加速度加载机角度可调式转子的结构设计42-43
• 5.2.2 离心式高加速度加载机角度可调式转子的工作原理43-44
• 5.2.3 离心式高加速度加载机角度可调式转子的离心特性44
• 5.3 齿轮的选择44-45
• 5.4 本章小结45-46
• 第六章 离心式高加速度加载机角度可调式转子的有限元仿真分析46-53
• 6.1 研究中使用软件介绍46
• 6.1.1 SolidWorks软件简介46
• 6.1.2 ANSYS Workbench软件简介46
• 6.2 主要结构的有限元分析46-51
• 6.2.1 主要结构的有限元模型46-47
• 6.2.2 仿真结果与分析47-51
• 6.3 本章小结51-53
• 第七章 总结与展望53-55
• 7.1 全文总结53
• 7.2 前景展望53-55
• 参考文献55-58
• 发表论文和科研情况说明58-59
• 致谢59-60

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