一种离心式高加速度加载机的研制

摘要

随着航空航天技术的发展，高加速度环境对生物体的力学生物学影响越来越受到重视，研究表明高加速度对器官、组织、细胞和分子水平都有影响。而对于高加速度环境模拟，航天航空部门有高加速度加载的专用设备，例如垂直落塔和载人离心机等。但对于一般实验室，高加速度环境对生物体的力学生物学影响的研究缺乏条件。实验室内，普通离心机功能主要是用于离心分离和样品制备，可用于细胞加载的离心机甚少，特别是针对贴壁细胞加载的更少，现存的离心机已经无法满足目前的实验要求。本文根据目前普通离心机和细胞培养环境，针对贴壁细胞离心加载设计了一种体积小、噪音低、安全性能高的新型离心加载装置。
　　本课题研制了用于贴壁细胞加载的离心式高加速度加载机，并且还设计了角度可调式转子。首先，分析了国内外高加速加载装置的结构形式和工作原理，总结了它们在应用时的优点和缺点，结合本课题实验要求，确定设计指标，即离心加载机要实现0-40g的恒加速度加载和0-0.8g/s的变加速度加载，并制定了本离心加载机的设计方案。然后，建立机身结构的三维模型，选择旋转电机等零部件。对于离心式高加速度加载机转子，其特点是可以对培养板和培养瓶直接进行加载，先利用SolidWorks建立三维模型，再利用ANSYS有限元分析软件对离心式高加速度加载机转子进行有限元分析，在确定转子结构满足强度和安全性要求后，进行加工制造。在使用转子时，对培养板和培养瓶进行装夹前，培养板和培养瓶要装满培养液，防止加载时贴壁细胞与培养液之间存在气泡，影响加载效果。而且，培养板要密封且用夹板夹紧，培养瓶拧紧瓶盖，以免造成培养液泄漏。然后，要对密封的培养板和培养瓶进行配平，保证转子对称两侧质量分布均匀。而角度可调式转子根据角度不同可以进行恒加速度和梯度加载，并且可以用于动物离心加载，同样，先利用SolidWorks建立三维模型，确定转子在功能上的可行性，再利用ANSYS Workbench对角度可调式转子不同角度进行有限元仿真分析，分析其在各角度的应力、应变情况，分析表明转子结构满足强度和安全性要求。
　　本课题将机械设计与生物力学相结合，设计的离心加载装置可用于高加速度加载下细胞的力学生物学研究。这种新型离心加载装置的研究，为细胞离心加载提供了一种方便的方法，也为高校、公司及科研单位等在离心加载方面的研究提供了一种新途径。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 高加速度加载装置的研究现状

1.3 本课题的研究内容和创新之处

第二章 离心式加载机结构设计

2.1 离心机的原理及分类

2.2 航空航天对离心机设计的性能要求

2.3 离心式高加速度加载机的设计要求和技术指标

2.4 离心式高加速度加载机的机身设计

2.5 零部件的选择

2.6 本章小结

第三章 离心式高加速度加载机转子的研制

3.1 离心机转子及分类

3.2 离心式高加速度加载机转子的结构设计

3.3 离心式高加速度加载机转子的离心特性

3.4 离心式高加速度加载机转子强度的实验验证

3.5 本章小结

第四章 离心式高加速度加载机转子的有限元仿真分析

4.1 ANSYS软件简介

4.2 有限元模型的建立

4.3 仿真结果与分析

4.4 危险工况下旋转轴的静力学验证

4.5 本章小结

第五章 离心式高加速度加载机角度可调式转子的设计

5.1 离心式高加速度加载机角度可调式转子的设计要求和技术路线

5.2 离心式高加速度加载机角度可调式转子的结构设计

5.3 齿轮的选择

5.4 本章小结

第六章 离心式高加速度加载机角度可调式转子的有限元仿真分析

6.1 研究中使用软件介绍

6.2 主要结构的有限元分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 前景展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

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