基于SPH-FEM手指模型的皮肤摩擦行为分析

发布时间：2021-02-14 22:29

　　针对基于传统有限元算法（FEM）的手指模型并不能很好地模拟皮肤大变形的问题,提出了一种基于有限元和光滑粒子动力学耦合算法（SPH-FEM）的手指建模方法,以保证模型在大变形和极端变形情况下的适应性.由于该方法本身具有的"无网格"特性,其对皮肤组织表现出流固双相特性的模拟上对比传统的FEM方法具有天然优势.建立了基于SPH-FEM手指建模方法的手指模型,进行尖刺刺入仿真试验和平板摩擦仿真试验,考察皮肤的应力应变.为了验证SPH-FEM手指建模方法的合理性和有效性,对基于SPH-FEM手指模型与基于FEM手指建模方法进行比较.结果表明,SPH-FEM手指模型在整体形变趋势上与FEM手指模型较为一致,并且在应对大变形时响应速度相较于FEM手指模型明显加快,但存在一定的滞后性; SPH-FEM手指模型在小变形时的精度稍显不足. 

【文章来源】：排灌机械工程学报. 2019,37(12)北大核心

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【图文】：

整体试验方案

仿真试验效果

分别对2种模型表面的尖刺沿相对模型的方向施加0.25 mm的位移s，加载曲线如图4所示，加载时间t为100 ms.试验结果如图5所示，图中a为加速度．相对于FEM模型，SPH-FEM手指模型的皮下组织随外力作用的变化速度较快，但在响应时间上出现了明显的“滞后”现象．这可能是由于有限单元格被替换成SPH粒子后，各个单元元素之间的仿真距离增加，使得原本仅需微量的形变即可传递的变化，此时需要更大的形变和更多的时间才能进行传递．对比2组手指模型皮下组织层受力的变化，发现SPH-FEM手指模型皮下组织所感受到的由前层(表皮和真皮)传递的外力变化较FEM手指模型衰减十分明显，即精度远没有FEM手指模型高．

【参考文献】：
期刊论文
[1]新型三折叠喷洒臂结构设计及动力学仿真[J]. 余聪,汤玲迪,汤跃.  排灌机械工程学报. 2018(08)
[2]基于气动人工肌肉力反馈数据手套的柔性物体力觉再现[J]. 孙中圣,包钢,李小宁.  南京理工大学学报(自然科学版). 2009(06)

博士论文
[1]基于触觉认知的织物质感的形成机理研究[D]. 胡吉永.东华大学 2008

硕士论文
[1]射流触觉交互的生物力学模型及感知机理研究[D]. 刘朝阳.东南大学 2017



本文编号：3033968