高G力学环境加载装置研制及其细胞力学状态研究

发布时间：2020-08-25 18:17

【摘要】：随着现代武器装备、科研设备的飞速发展,现代战斗机的机动性能越来越强大,载人航空航天活动也越来越频繁,飞行员和宇航员会有越来越多的机会处在高加速度环境中,持续的高加速度(高G)力学环境会对人体机能产生很大影响。而学界对这种影响的研究很少,且研究材料也很难获取。因此,研究人员退而求其次,选用小动物等作为研究材料,将其置于高G力学环境中一段时间后,通过实验分析来研究高G力学环境对其身体、组织、细胞的影响。本文详细调研了现有离心机种类及发展趋势,综述了国内外用于生物加载的离心机研究现状,通过总结分析,研制了可以为动物、细胞加载实验提供大小可控、稳定高G力学环境的加载设备。加载机主要由底座、传动机构、转子、伺服电机、控制箱、外机壳等部分组成。设计过程中,本文对底座部分使用有限元软件进行了模态分析,避免机器工作时,底座产生共振;对多种转子结构进行了讨论,最终选用结构稳定、便于加工的矩形型钢制作转子;通过计算选择了高性价比伺服电机,选择了方便编程和使用的文本显示器与PLC作为控制模块。主要性能参数包括:转子有效旋转半径为40cm,额定G值为40G,最大G值变化率6.7 G/s,可同时加载两只大鼠。加载机制作完成后,我们进行了动物加载预实验与分组实验,对加载机的加载效果进行了验证,并观察到大鼠经过不同高G力学环境加载后,身体、行动能力和生长发育都会产生变化,得出高G力学环境会对动物的行动能力和身体发育产生影响的结果。此外,本文设计制作的设备除了可以进行动物加载,也可以通过夹持装置为细胞提供一个高G力学环境。我们已经观察到高G加载后的成骨细胞会发生形状的变化,为了进一步研究高G环境下细胞的受力情况,我们建立了含有细胞骨架的细胞模型进行有限元分析。建模之前,本文首先对Abaqus有限元分析软件的量纲进行整理,整理出使用m、mm、μm作为长度单位的单位制,在软件中建模对各个单位制进行了验证,确定每个单位制中各个单位对应关系是正确的,可供研究人员日后建模时使用。然后,对单个细胞模型进行建模,综述了国内外现有学者建立的细胞有限元模型种类,并对其优缺点进行总结,在其基础上选择了含有细胞骨架的有限元模型。根据已有学者对细胞材料的研究,选取合适的尺寸参数、材料参数,建立细胞模型,对细胞添加不同大小的高G力,分析有无细胞骨架细胞模型受到高G力加载后,细胞形变情况,明确细胞骨架在抵抗细胞所受高G力、保持细胞形状中的作用,而且此模型可以预测高G力学环境加载实验中细胞的各种响应和变化。本文的工作主要是为实验室动物高G加载提供一种加载装置;进行了大鼠加载实验,分析高G力学环境对大鼠行动能力和生长发育的影响;建立了含有细胞骨架的细胞三维模型,为以后开展高G环境下细胞有限元模拟仿真工作打下了良好的基础。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R85
【图文】：

舰载机

1.1 研究背景随着现代武器装备、科研设备的飞速发展，现代战斗机的机动性能越来越强大，最新研制的歼 15 舰载机（如图 1-1）、歼 20 第五代战斗机性能位于世界前列；中国空间站计划正一步一步完成，载人航空航天活动因此越来越频繁（如图 1-2）。飞行员和宇航员会有越来越多的机会处在高加速度环境中，持续的高加速度（高 G）力学环境对人体机能产生很大影响。研究显示，高性能战斗机可产生高达 9-12G 的加速度，加速持续时间可达 45s，这种极端的力学环境会对战机驾驶员的身体产生很大伤害，比如可以造成战机驾驶员灰视、管状视，甚至会造成高 G 引起意识丧失（G-LOC，highG-force-inducedloss of consciousness）等，影响人体自主神经系统、心脏功能、脑血流量、组织氧水平等，严重威胁现代先进战机的训练、飞行安全[1-8]。研究还表明，载人航天器在发射与座舱返回阶段，航天员所承受正加速度可达到 5-8G，在应急逃逸过程中，航天员所受的正加速度最大值能达到 15G。高加速度（高 G）力学环境对人体及细胞的影响[9-12]，越来越多地受到科研工作者的重视。

载人航天器

曲线,离心机

1.2.3 载人离心机的发展在现代航空航天领域，培训人员主要使用载人离心机来制造持续的超重环境，模拟航天器起飞、入轨、再入、返回的超重曲线，使航天员对超重环境有周期性的体验，提高航天员对超重过载值的耐受能力，并且训练航天员在此种条件下对航天器的操作能力1935 年，首座载人离心机在德国柏林落成。随后二十世纪四十到六十年代，许多航空业发达的国家也建造自己的载人离心机进行航天员的训练和实验。美国航空航天局 NASA拥有各种离心机用于研究实验，比较有名的是 20G 离心机（如图 1-3），主要用于训练航天员并进行相关的实验研究。美国维勒实验室（WyleLaboratories）研制的 Wyle 载人离心机（如图 1-4），可以模拟 F-16 驾驶舱，用于训练驾驶员和飞行模拟。2012 年，美国环境构建公司（Environmental Tectonics Corporation，ETC）研制的 ATFS-400 载人离心机（如图 1-5），是现今性能最为出色的载人离心机之一，其拥有多种战斗机的高度仿真模拟座舱，含有速度模拟、仪表、视野、驾驶舱环境和控制方式等模拟装置，可以模拟三个自由度的飞行运动。此离心装置不仅可以针对航空医学、高 G 耐力适应训练等研究，还具备各种基本训练和各种专业功能训练等飞行模式的模拟，是现今世界高性能载人离心机（飞行模拟设备）的顶尖水平，是我国载人离心机研发的方向[27-28]。

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