人工心脏泵叶轮结构参数优化及有限元分析

摘要

心血管疾病成为了人类寿命的杀手，在全球死亡病例中，心血管疾病患者的病例就占据了三分之一。通过移植一个人工心脏可以辅助或者代替原有的心脏工作，从而解决供体不足的问题和等待供体的时间问题，增大了存活的几率，降低医疗成本。对于现有的人工心脏泵存在着尺寸大、机械结构复杂、易感染、发热、设计过程繁琐、溶血、效率低、可靠性差、悬浮稳定性问题。双向液力悬浮的人工心脏泵可以较为有效的解决上述问题。本课题为了着重解决叶轮效率低、溶血、运转稳定性以及可靠性问题，同时提升设计效率，采用双向液力悬浮式的人工心脏泵开展设计、优化仿真与可靠性方面的研究。
　　针对人体血液状况与先进人工心脏泵设计指标，运用传统的经验设计法，建立了一种双向液力悬浮的人工心脏泵。建立损失、稳定性和溶血的多目标优化数学模型，赋予各个分目标函数以权重之后，统一目标函数，运用两种智能算法在给定域中寻优。通过比较，选择优化数值更为理想的尺寸参数作为优化后的结果，进而对比各个分目标初始的函数值，从理论上验证优化是否可行。
　　根据优化后的结果，建立三维实体模型以及数值计算模型。通过仿真出的人工心脏泵内的整个流场的速度矢量云图、压力云图，是否与离心泵工作原理相符合，初步验证仿真方法是否合理。在此基础上分析不同工况下，优化结果的对比，从而验证优化的合理性与正确性。
　　针对优化后的模型进行了进一步分析，确定了人工心脏泵的合理使用条件，并对外特性进行了预测。通过对叶轮进行有限元分析，得到了承受血液载荷以及离心载荷作用下的应力与应变，结果表明所选择的材料制成的叶轮在所分析的工况下工作可靠，对容易产生应力集中的部位提出了建议，并对外特性进行了预测，确定了合理的工作范围。
　　本文将多目标优化、优化算法、数值模拟技术以及有限元分析技术对人工心脏泵叶轮进行设计与优化，缩短了设计周期，节省了生产成本，对人工心脏泵的优化与设计有着重要的借鉴意义。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 人工心脏泵体的结构设计

2.1 人工心脏泵的设计目标

2.2 人工心脏泵叶片的设计

2.3 人工心脏泵涡室的设计

2.4 本章小结

第3章 人工心脏泵叶轮的参数优化

3.1 引言

3.2 目标函数的确定

3.3 遗传算法

3.4 复合形法

3.5 算法实现

3.6 算法结果的对比与分析

3.7 本章小结

第4章 基于CFD的叶轮参数优化结果的验证

4.1 引言

4.2 人工心脏泵计算模型的建立

4.3 数值计算结果解析与优化结果的验证

4.4 合理工况的确定

4.5 外特性预测

4.6 本章小结

第5章 人工心脏泵叶轮的有限元分析

5.1 引言

5.2 有限元分析模型的建立

5.3 有限元模型求解结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢