仿生管路动力学模型及流固耦合特性分析
发布时间：2021-08-26 10:59
近年来,交叉学科的蓬勃兴起引起众多优秀学者的关注。仿生学（Bionics）作为其中优秀代表,立足于生物学和技术学的结合。力学仿生更是仿生学的一个积极应用,其研究内容主要包括两大方面。其一是将静力学知识应用在生物体本构模型与精细结构;其二是动力学知识应用于生物体组成部分对于个体的相对运动和生物体在自然中的运动。随着“机械工程与健康科学”作为1985年美国科学研究委员会生物工程小组提出的“当前具有特别意义的一系列领域”之一,生物力学基础理论的重要组成部分即生理循环系统机械模拟技术就已经成为备受关注的重要课题。众所周知,人体是最优的进化结构,因而人体血管是最优结构的输流管路。本文在生物医学与流体力学的交叉领域内展开研究,将血管壁本构模型下独特而优越的力学性质应用到现代输流管路的动力学模型中。此研究既可以为临床医学对于心血管有关疾病的预防、诊断治疗、监测提供数据支持,又可以为优化仿生管路系统提供理论支持,为现代输流管路起到减粘降阻、减噪降振起到可观的作用。本文正文涵括6章。第1章主要阐述了本文的选题来源和研究意义,讲明血管本构模型的发展历程和研究现状以及现代静液输流管路系统的起源和国外内研究情...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
液压管路与心血管路对比图
?ricerri,Paolo[24]等人研究了非线性各向同性和各向异性材料的健康脑动脉的本构关系以及流固耦合问题的数值模拟，探究了胶原纤维在对结构整体力学表现的影响程度。Tian,L.[25]等人用八链正交各向异性元素模型，用各向同性新胡克模型来表征弹性蛋白。HChen和GS[26]建立了连续微结构模型，既能如宏观模型一样体现良好的一致性又能预测微观结构应力。KassabSkacelP和BursaJ[27]根据本构模型和实验数据，分析了纤维软组织的体积压缩系数和泊松比，弥补了近年来基于结构的本构模型未考虑到压缩性相关的因素的不足。图1.2动脉模型作为血管本构模型的研究手段连续介质力学的发展，也经历了如下过程。冯元桢院士在《连续介质力学》[28]一书中阐明笛卡尔张量所需的物理知识与数学知识，论述了应力、应变与本构方程及场方程，是初学者的首眩黄筑平[29]在《连续介质力学基捶中解释了当时存在争论不休的基本且又重大的理论问题。北京交通大学王足博士[30]对张量函数及其导数近似表达式及三种大变形弹塑性的差别进行研究。软体物质的主要特性包括熵弹性、超弹性本构关系、粘弹性本构关系、多空弹性介质本构关系以及非牛顿流体本构关系等，因此陈恩惠和杨锦鸿等人[31]研究了连续介质理论对其性质所起的重要意义。仲政和张晓龙[32]介绍了相关连续介质理论建模和求解关于各领域中广泛存在的传质-变形耦合问题、反应-变形耦合问题及热-化-力完全耦合问题。华北电力大学张晓莉博士[33]对各向异性连续截至孔型结构给出解析方法。国外的学者A.E.Green和R.S.Rivlin[34]利用能量原理讨论了多极应力的本构方程，给出了弹性介质的显式结果。DavidR.
吉林大学硕士学位论文6图1.3管路应用场景国外的研究者们对管路的研究起始于19世纪，Joukowsky[41]作为其中优秀的代表，做出了极大贡献的。Pomeroy和RichardDtomg[42]通过在水平管道中流动的空气和液体的实验，确定了分层流动中存在的界面不稳定性。A.S.Tijsseling和C.S.W.Lavooij[43]研究了压力波动与管道运动的相互作用，提出了摩擦、泊松和耦合三种相互作用机理。JDeHart和G.W.M.Peters等人[44]研究了流体和管壁相互作用对瓣膜收缩功能的影响。提出了一种基于拉格朗日乘子的虚拟域方法来描述计算流体域内的运动。TimonRabczuk和RobertGracie等人[45]介绍了冲击载荷作用下压裂结构流固耦合的处理方法，采用Kirchhoff-Love壳理论耦合方法解决了针对高压、低速流体的问题。R.L.Campbell和E.G.Paterson[46]提出并验证了一种可拓展叶轮泵的性能计算方法，同时求解流体流动和结构响应，OpenFOAM提供了流和网格运动求解器，并通过使用定点迭代的紧密耦合方法与结构求解耦合。Yin,Lu等人[47]提出并验证一种新的混合耦合(HC)算法，用于不可压缩粘性流场的流固耦合(FSI)建模。Habchi,Charbel等人[48]采用分块高斯-赛德尔隐式格式，采用分块方法，建立了一个流固耦合求解器,采用有限体积法对流体流动问题进行离散化，并采用自适应时间步长。Sotiropoulos,Fotis和Yang,Xiaolei[49]所研究的浸入式边界(IB)法具有处理任意复杂物理边界的能力而不需要昂贵和繁琐的动态网格重划分，这两种方法可细化为扩散法和锐化界面法。Casquero,Hugo、Bona-Casas,Carles和Gomez,Hector[50]介绍了流体-结构相互作用(FSI)的等几何、浸入式和全隐式的计算方法，该方法侧重于粘性不可压缩流和非线性超弹性不可压缩固体，数值解与理论分析结果在二维?
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空弯曲液压管路流固耦合振动频响分析[J]. 权凌霄,孙冰江,赵劲松,李东. 西北工业大学学报. 2018(03)
[2]任意分支管路流固耦合振动计算方法[J]. 李帅军,李华峰,王小峰,柳贡民. 振动与冲击. 2018(07)
[3]固体热-化-力耦合连续介质理论的研究现状与展望[J]. 仲政,张晓龙. 力学季刊. 2017(04)
[4]航空液压管路流固耦合振动传递矩阵模型分析[J]. 郭长虹,郭海鑫,权凌霄,李东,焦宗夏. 高技术通讯. 2017(Z2)
[5]T型结构压力管道流固耦合模拟与试验验证[J]. 王武,陈涛,杨帅,吴大转,于思琦. 中国安全生产科学技术. 2017(10)
[6]生物软组织超弹性及夹持过程仿真分析[J]. 董红建,张勤河,刘明,谭磊,张洪才. 医用生物力学. 2017(04)
[7]软物质中的理性连续介质力学基础[J]. 陈恩惠,杨锦鸿,李栋,赵亚溥. 物理学报. 2016(18)
[8]液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展[J]. 权凌霄,孔祥东,俞滨,白欢欢. 机械工程学报. 2015(18)
[9]U型充液管道的流固耦合分析[J]. 张杰,梁政,韩传军. 应用力学学报. 2015(01)
[10]HTPB/IPDI弹性体的粘-超弹性本构模型研究[J]. 胡少青,鞠玉涛,韦震,周长省. 固体火箭技术. 2014(03)
博士论文
[1]基于浸没式光滑点插值法的流固耦合算法研究[D]. 王双强.大连理工大学 2019
[2]各向异性连续介质孔形结构的应力解析方法[D]. 张晓莉.华北电力大学(北京) 2018
[3]管路系统流固耦合动力学计算及特性分析[D]. 李帅军.哈尔滨工程大学 2015
[4]面向数值仿真的胸主动脉力学性能研究及本构模型优化[D]. 李永生.复旦大学 2014
[5]面向活检取样的典型生物软组织切削性能研究[D]. 高立营.山东大学 2012
[6]考虑流固耦合的管路系统振动噪声及特性研究[D]. 李艳华.哈尔滨工程大学 2011
[7]连续介质力学中某些物理量的近似和大变形弹塑性定义的比较[D]. 王足.北京交通大学 2010
[8]精细积分方法的改进及其在动力学与控制中的应用[D]. 谭述君.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]基于分数阶理论分形血管网中血液流动特性研究[D]. 任柳星.吉林大学 2019
[2]局部狭窄股动脉中脉动流的流动特性数值模拟及试验研究[D]. 高美红.吉林大学 2017
[3]动脉血管力学模型及损伤机制研究[D]. 胡文超.重庆大学 2016
本文编号：3364116
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
液压管路与心血管路对比图
?ricerri,Paolo[24]等人研究了非线性各向同性和各向异性材料的健康脑动脉的本构关系以及流固耦合问题的数值模拟，探究了胶原纤维在对结构整体力学表现的影响程度。Tian,L.[25]等人用八链正交各向异性元素模型，用各向同性新胡克模型来表征弹性蛋白。HChen和GS[26]建立了连续微结构模型，既能如宏观模型一样体现良好的一致性又能预测微观结构应力。KassabSkacelP和BursaJ[27]根据本构模型和实验数据，分析了纤维软组织的体积压缩系数和泊松比，弥补了近年来基于结构的本构模型未考虑到压缩性相关的因素的不足。图1.2动脉模型作为血管本构模型的研究手段连续介质力学的发展，也经历了如下过程。冯元桢院士在《连续介质力学》[28]一书中阐明笛卡尔张量所需的物理知识与数学知识，论述了应力、应变与本构方程及场方程，是初学者的首眩黄筑平[29]在《连续介质力学基捶中解释了当时存在争论不休的基本且又重大的理论问题。北京交通大学王足博士[30]对张量函数及其导数近似表达式及三种大变形弹塑性的差别进行研究。软体物质的主要特性包括熵弹性、超弹性本构关系、粘弹性本构关系、多空弹性介质本构关系以及非牛顿流体本构关系等，因此陈恩惠和杨锦鸿等人[31]研究了连续介质理论对其性质所起的重要意义。仲政和张晓龙[32]介绍了相关连续介质理论建模和求解关于各领域中广泛存在的传质-变形耦合问题、反应-变形耦合问题及热-化-力完全耦合问题。华北电力大学张晓莉博士[33]对各向异性连续截至孔型结构给出解析方法。国外的学者A.E.Green和R.S.Rivlin[34]利用能量原理讨论了多极应力的本构方程，给出了弹性介质的显式结果。DavidR.
吉林大学硕士学位论文6图1.3管路应用场景国外的研究者们对管路的研究起始于19世纪，Joukowsky[41]作为其中优秀的代表，做出了极大贡献的。Pomeroy和RichardDtomg[42]通过在水平管道中流动的空气和液体的实验，确定了分层流动中存在的界面不稳定性。A.S.Tijsseling和C.S.W.Lavooij[43]研究了压力波动与管道运动的相互作用，提出了摩擦、泊松和耦合三种相互作用机理。JDeHart和G.W.M.Peters等人[44]研究了流体和管壁相互作用对瓣膜收缩功能的影响。提出了一种基于拉格朗日乘子的虚拟域方法来描述计算流体域内的运动。TimonRabczuk和RobertGracie等人[45]介绍了冲击载荷作用下压裂结构流固耦合的处理方法，采用Kirchhoff-Love壳理论耦合方法解决了针对高压、低速流体的问题。R.L.Campbell和E.G.Paterson[46]提出并验证了一种可拓展叶轮泵的性能计算方法，同时求解流体流动和结构响应，OpenFOAM提供了流和网格运动求解器，并通过使用定点迭代的紧密耦合方法与结构求解耦合。Yin,Lu等人[47]提出并验证一种新的混合耦合(HC)算法，用于不可压缩粘性流场的流固耦合(FSI)建模。Habchi,Charbel等人[48]采用分块高斯-赛德尔隐式格式，采用分块方法，建立了一个流固耦合求解器,采用有限体积法对流体流动问题进行离散化，并采用自适应时间步长。Sotiropoulos,Fotis和Yang,Xiaolei[49]所研究的浸入式边界(IB)法具有处理任意复杂物理边界的能力而不需要昂贵和繁琐的动态网格重划分，这两种方法可细化为扩散法和锐化界面法。Casquero,Hugo、Bona-Casas,Carles和Gomez,Hector[50]介绍了流体-结构相互作用(FSI)的等几何、浸入式和全隐式的计算方法，该方法侧重于粘性不可压缩流和非线性超弹性不可压缩固体，数值解与理论分析结果在二维?
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空弯曲液压管路流固耦合振动频响分析[J]. 权凌霄,孙冰江,赵劲松,李东. 西北工业大学学报. 2018(03)
[2]任意分支管路流固耦合振动计算方法[J]. 李帅军,李华峰,王小峰,柳贡民. 振动与冲击. 2018(07)
[3]固体热-化-力耦合连续介质理论的研究现状与展望[J]. 仲政,张晓龙. 力学季刊. 2017(04)
[4]航空液压管路流固耦合振动传递矩阵模型分析[J]. 郭长虹,郭海鑫,权凌霄,李东,焦宗夏. 高技术通讯. 2017(Z2)
[5]T型结构压力管道流固耦合模拟与试验验证[J]. 王武,陈涛,杨帅,吴大转,于思琦. 中国安全生产科学技术. 2017(10)
[6]生物软组织超弹性及夹持过程仿真分析[J]. 董红建,张勤河,刘明,谭磊,张洪才. 医用生物力学. 2017(04)
[7]软物质中的理性连续介质力学基础[J]. 陈恩惠,杨锦鸿,李栋,赵亚溥. 物理学报. 2016(18)
[8]液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展[J]. 权凌霄,孔祥东,俞滨,白欢欢. 机械工程学报. 2015(18)
[9]U型充液管道的流固耦合分析[J]. 张杰,梁政,韩传军. 应用力学学报. 2015(01)
[10]HTPB/IPDI弹性体的粘-超弹性本构模型研究[J]. 胡少青,鞠玉涛,韦震,周长省. 固体火箭技术. 2014(03)
博士论文
[1]基于浸没式光滑点插值法的流固耦合算法研究[D]. 王双强.大连理工大学 2019
[2]各向异性连续介质孔形结构的应力解析方法[D]. 张晓莉.华北电力大学(北京) 2018
[3]管路系统流固耦合动力学计算及特性分析[D]. 李帅军.哈尔滨工程大学 2015
[4]面向数值仿真的胸主动脉力学性能研究及本构模型优化[D]. 李永生.复旦大学 2014
[5]面向活检取样的典型生物软组织切削性能研究[D]. 高立营.山东大学 2012
[6]考虑流固耦合的管路系统振动噪声及特性研究[D]. 李艳华.哈尔滨工程大学 2011
[7]连续介质力学中某些物理量的近似和大变形弹塑性定义的比较[D]. 王足.北京交通大学 2010
[8]精细积分方法的改进及其在动力学与控制中的应用[D]. 谭述君.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]基于分数阶理论分形血管网中血液流动特性研究[D]. 任柳星.吉林大学 2019
[2]局部狭窄股动脉中脉动流的流动特性数值模拟及试验研究[D]. 高美红.吉林大学 2017
[3]动脉血管力学模型及损伤机制研究[D]. 胡文超.重庆大学 2016
本文编号：3364116
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