膀胱动力泵电磁驱动系统的优化设计研究

发布时间：2020-08-02 06:15

【摘要】：神经源性膀胱是指控尿的中枢神经损伤或病变,导致膀胱或尿道功能障碍,进而引发下尿路症和并发症的疾病总称,目前尚无有效治疗措施。临床上一般采用膀胱造瘘、电刺激、尿道插管和药物注射等辅助排尿措施,但易导致尿路感染或引起其他并发症。针对现有临床辅助排尿措施导致尿路感染等并发症问题,课题组前期提出了一种体外电磁驱动的辅助排尿系统,也称膀胱动力泵。该泵的核心机构是由电磁铁和磁动子组成的电磁驱动系统,由于尚存在质量和体积偏大、便携性差等问题,尚难以满足动物和临床试验研究要求。为此,本文对膀胱动力泵的电磁驱动系统进行了优化设计,并对优化前后电磁驱动系统的电磁驱动特性、温升特性和膀胱动力泵的排尿动力特性进行了有限元仿真分析和模拟实验研究。具体工作内容如下:根据电磁铁设计理论和膀胱动力泵组成原理,初步设计了电磁铁的结构。结合人体生理组织结构特点和最优化理论,建立了磁动子和电磁铁的优化设计数学模型。采用序列二次规划法(SQP法)求解模型,获得了电磁驱动系统的最佳结构设计参数。运用Solidworks软件建立了优化前后电磁驱动系统的三维实体模型,运用ANSYS Workbench软件对其进行了静磁场和瞬态磁场仿真分析,获得了优化前后电磁驱动系统的磁场分布云图和磁动子运动过程中电磁驱动力的变化规律。运用ANSYS Workbench软件的电磁热耦合分析功能,对优化前后的电磁铁进行了温度场仿真分析,获得了优化前后电磁铁的温度场分布云图和温升随电磁铁通电时间的变化曲线。运用Solidworks软件建立了优化前后膀胱动力泵的三维实体模型,运用ANSYS Workbench软件的流固耦合分析功能,对其进行了排尿动力特性仿真分析,获得了膀胱压和尿流率的分布云图及全程排尿期膀胱压和尿流率的变化曲线。根据优化结果,制作了电磁驱动系统和膀胱动力泵的物理模型,设计并搭建了模拟实验平台,实验分析了优化前后电磁驱动系统的电磁驱动特性、温升特性和膀胱动力泵的排尿动力特性,实验验证了所建立模型的有效性。研究结果表明:所建立的优化设计数学模型和有限元模型有效实用;与优化前相比,电磁铁的体积可减小65.45%,质量可减轻60.25%,磁动子与定子所构成的可变工作容腔的体积可减小14.03%,电磁驱动力提高2.09%,膀胱压峰值提高2.74%,尿流率峰值提高14.22%,温升仅增高1.64~oC,排尿动力特性得到了明显改善。研究结果可为设计便携、可靠及适用于动物和临床试验研究的膀胱动力泵提供理论与技术指导。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789

【参考文献】