基于CFD的卫生护理机器人浴舱结构优化设计研究

发布时间：2021-05-01 02:12

　　随着我国进入老龄化社会,老年人的日常卫生护理问题越发突出,尤其是作为最重要日常护理之一的洗澡。研制个人卫生护理机器人,可减轻护理人员的劳动强度,提高老年人的生存质量,越发显得重要。基于流场数值模拟的浴舱结构优化设计是个人卫生护理机器人研究的重要内容。本文在对个人卫生护理机器人整体结构和功能进行充分分析的基础上,进行了浴舱的三维CAD设计,根据浴舱的结构及进出水流与人体表面相互作用形式的不同,确定了浴舱洗浴的四种水循环模式,在对浴舱及人体计算模型进行合理的简化后,建立了四种循环模式下有限空间内的人-浴舱的CFD计算模型,通过对三维流场进行数值模拟计算,得到了各种水流循环模式作用下人体近表面的速度分布图、进水口的迹线图及人体近表面不同速度对应面积的比例分布图,在时间和空间上定量给出了浴舱内人体周围流场变化的数值解,确定了浴舱的最佳洗浴模式。结合CFD仿真结果和优化设计理论,以多学科优化软件iSIGHT为平台,建立了基于计算流体力学的浴舱-人体DOE（正交实验设计）优化模型,对浴舱进行了结构优化计算,对优化后的浴舱结构进行流体计算分析,得到的优化结果与优化前进行对比分析。结果表明,优化设计在... 

【文章来源】：河南科技大学河南省

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 浴舱的结构设计及洗浴模式研究
    2.1 个人卫生护理机器人简介
    2.2 浴舱的三维CAD 建模
    2.3 浴舱-人体计算模型的建立
        2.3.1 人体模型的建立
        2.3.2 浴舱-人体CFD 模型的简化
    2.4 浴舱洗浴水循环模式研究
    2.5 浴舱-人体CFD 计算模型的建立
    2.6 本章小结
第3章 有限空间内浴舱-人体的流场数值模拟
    3.1 数值模拟的理论依据
        3.1.1 流体力学控制方程
        3.1.2 湍流模型
        3.1.3 VOF 方法
        3.1.4 并行计算
    3.2 边界条件设置
        3.2.1 自由表面的处理
        3.2.2 初始条件和边界条件
    3.3 求解过程
        3.3.1 CFD 求解过程
        3.3.2 串行fluent 的调用
        3.3.3 并行fluent 的调用
    3.4 流场计算结果及分析
        3.4.1 模式一计算结果
        3.4.2 模式二计算结果
        3.4.3 模式三计算结果
        3.4.4 模式四计算结果
        3.4.5 计算结果对比分析
    3.5 本章小结
第4章 基于iSIGHT 的浴舱的优化设计
    4.1 优化设计概述
        4.1.1 优化设计基本概念
        4.1.2 优化数学模型
    4.2 优化方法
        4.2.1 正交实验设计
        4.2.2 正交实验设计步骤
    4.3 基于iSIGHT 的浴舱优化实现
        4.3.1 优化变量及约束条件
        4.3.2 浴舱的优化流场计算模块的参数化
        4.3.3 浴舱的优化数学模型
        4.3.4 优化仿真模块的构建
        4.3.5 优化结果
    4.4 优化结果验证
    4.5 本章小结
第5章浴舱产品样机的整体设计
    5.1 基于人机工程的设计研究
    5.2 浴舱的整体结构设计
        5.2.1 浴舱的总体结构
        5.2.2 护理座椅设计
        5.2.3 辅助进舱装置设计
        5.2.4 自动洗头机构设计
    5.3 外观造型设计
    5.4 样机研制
    5.5 本章小结
第6章结论
    6.1 主要结论
    6.2 研究展望
参考文献
附录A 基于Gambit 的浴舱的参数化模型建模程序
附录B 基于iSIGHT 优化结果的变量响应曲线图
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果



本文编号：3169937