針對基于傳統(tǒng)有限元算法（FEM）的手指模型并不能很好地模擬皮膚大變形的問題,提出了一種基于有限元和光滑粒子動力學(xué)耦合算法（SPH-FEM）的手指建模方法,以保證模型在大變形和極端變形情況下的適應(yīng)性.由于該方法本身具有的"無網(wǎng)格"特性,其對皮膚組織表現(xiàn)出流固雙相特性的模擬上對比傳統(tǒng)的FEM方法具有天然優(yōu)勢.建立了基于SPH-FEM手指建模方法的手指模型,進(jìn)行尖刺刺入仿真試驗和平板摩擦仿真試驗,考察皮膚的應(yīng)力應(yīng)變.為了驗證SPH-FEM手指建模方法的合理性和有效性,對基于SPH-FEM手指模型與基于FEM手指建模方法進(jìn)行比較.結(jié)果表明,SPH-FEM手指模型在整體形變趨勢上與FEM手指模型較為一致,并且在應(yīng)對大變形時響應(yīng)速度相較于FEM手指模型明顯加快,但存在一定的滯后性; SPH-FEM手指模型在小變形時的精度稍顯不足. 

【文章來源】：排灌機(jī)械工程學(xué)報. 2019,37(12)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【圖文】：

整體試驗方案

仿真試驗效果

分別對2種模型表面的尖刺沿相對模型的方向施加0.25 mm的位移s，加載曲線如圖4所示，加載時間t為100 ms.試驗結(jié)果如圖5所示，圖中a為加速度．相對于FEM模型，SPH-FEM手指模型的皮下組織隨外力作用的變化速度較快，但在響應(yīng)時間上出現(xiàn)了明顯的“滯后”現(xiàn)象．這可能是由于有限單元格被替換成SPH粒子后，各個單元元素之間的仿真距離增加，使得原本僅需微量的形變即可傳遞的變化，此時需要更大的形變和更多的時間才能進(jìn)行傳遞．對比2組手指模型皮下組織層受力的變化，發(fā)現(xiàn)SPH-FEM手指模型皮下組織所感受到的由前層(表皮和真皮)傳遞的外力變化較FEM手指模型衰減十分明顯，即精度遠(yuǎn)沒有FEM手指模型高．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]新型三折疊噴灑臂結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)仿真[J]. 余聰,湯玲迪,湯躍.  排灌機(jī)械工程學(xué)報. 2018(08)
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博士論文
[1]基于觸覺認(rèn)知的織物質(zhì)感的形成機(jī)理研究[D]. 胡吉永.東華大學(xué) 2008

碩士論文
[1]射流觸覺交互的生物力學(xué)模型及感知機(jī)理研究[D]. 劉朝陽.東南大學(xué) 2017



本文編號：3033968