【摘要】：隨著現(xiàn)代武器裝備、科研設(shè)備的飛速發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性能越來越強(qiáng)大,載人航空航天活動也越來越頻繁,飛行員和宇航員會有越來越多的機(jī)會處在高加速度環(huán)境中,持續(xù)的高加速度(高G)力學(xué)環(huán)境會對人體機(jī)能產(chǎn)生很大影響。而學(xué)界對這種影響的研究很少,且研究材料也很難獲取。因此,研究人員退而求其次,選用小動物等作為研究材料,將其置于高G力學(xué)環(huán)境中一段時間后,通過實(shí)驗(yàn)分析來研究高G力學(xué)環(huán)境對其身體、組織、細(xì)胞的影響。本文詳細(xì)調(diào)研了現(xiàn)有離心機(jī)種類及發(fā)展趨勢,綜述了國內(nèi)外用于生物加載的離心機(jī)研究現(xiàn)狀,通過總結(jié)分析,研制了可以為動物、細(xì)胞加載實(shí)驗(yàn)提供大小可控、穩(wěn)定高G力學(xué)環(huán)境的加載設(shè)備。加載機(jī)主要由底座、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)子、伺服電機(jī)、控制箱、外機(jī)殼等部分組成。設(shè)計(jì)過程中,本文對底座部分使用有限元軟件進(jìn)行了模態(tài)分析,避免機(jī)器工作時,底座產(chǎn)生共振;對多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論,最終選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便于加工的矩形型鋼制作轉(zhuǎn)子;通過計(jì)算選擇了高性價比伺服電機(jī),選擇了方便編程和使用的文本顯示器與PLC作為控制模塊。主要性能參數(shù)包括:轉(zhuǎn)子有效旋轉(zhuǎn)半徑為40cm,額定G值為40G,最大G值變化率6.7 G/s,可同時加載兩只大鼠。加載機(jī)制作完成后,我們進(jìn)行了動物加載預(yù)實(shí)驗(yàn)與分組實(shí)驗(yàn),對加載機(jī)的加載效果進(jìn)行了驗(yàn)證,并觀察到大鼠經(jīng)過不同高G力學(xué)環(huán)境加載后,身體、行動能力和生長發(fā)育都會產(chǎn)生變化,得出高G力學(xué)環(huán)境會對動物的行動能力和身體發(fā)育產(chǎn)生影響的結(jié)果。此外,本文設(shè)計(jì)制作的設(shè)備除了可以進(jìn)行動物加載,也可以通過夾持裝置為細(xì)胞提供一個高G力學(xué)環(huán)境。我們已經(jīng)觀察到高G加載后的成骨細(xì)胞會發(fā)生形狀的變化,為了進(jìn)一步研究高G環(huán)境下細(xì)胞的受力情況,我們建立了含有細(xì)胞骨架的細(xì)胞模型進(jìn)行有限元分析。建模之前,本文首先對Abaqus有限元分析軟件的量綱進(jìn)行整理,整理出使用m、mm、μm作為長度單位的單位制,在軟件中建模對各個單位制進(jìn)行了驗(yàn)證,確定每個單位制中各個單位對應(yīng)關(guān)系是正確的,可供研究人員日后建模時使用。然后,對單個細(xì)胞模型進(jìn)行建模,綜述了國內(nèi)外現(xiàn)有學(xué)者建立的細(xì)胞有限元模型種類,并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),在其基礎(chǔ)上選擇了含有細(xì)胞骨架的有限元模型。根據(jù)已有學(xué)者對細(xì)胞材料的研究,選取合適的尺寸參數(shù)、材料參數(shù),建立細(xì)胞模型,對細(xì)胞添加不同大小的高G力,分析有無細(xì)胞骨架細(xì)胞模型受到高G力加載后,細(xì)胞形變情況,明確細(xì)胞骨架在抵抗細(xì)胞所受高G力、保持細(xì)胞形狀中的作用,而且此模型可以預(yù)測高G力學(xué)環(huán)境加載實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞的各種響應(yīng)和變化。本文的工作主要是為實(shí)驗(yàn)室動物高G加載提供一種加載裝置;進(jìn)行了大鼠加載實(shí)驗(yàn),分析高G力學(xué)環(huán)境對大鼠行動能力和生長發(fā)育的影響;建立了含有細(xì)胞骨架的細(xì)胞三維模型,為以后開展高G環(huán)境下細(xì)胞有限元模擬仿真工作打下了良好的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R85
【圖文】：

1.1 研究背景隨著現(xiàn)代武器裝備、科研設(shè)備的飛速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性能越來越強(qiáng)大，最新研制的殲 15 艦載機(jī)（如圖 1-1）、殲 20 第五代戰(zhàn)斗機(jī)性能位于世界前列；中國空間站計(jì)劃正一步一步完成，載人航空航天活動因此越來越頻繁（如圖 1-2）。飛行員和宇航員會有越來越多的機(jī)會處在高加速度環(huán)境中，持續(xù)的高加速度（高 G）力學(xué)環(huán)境對人體機(jī)能產(chǎn)生很大影響。研究顯示，高性能戰(zhàn)斗機(jī)可產(chǎn)生高達(dá) 9-12G 的加速度，加速持續(xù)時間可達(dá) 45s，這種極端的力學(xué)環(huán)境會對戰(zhàn)機(jī)駕駛員的身體產(chǎn)生很大傷害，比如可以造成戰(zhàn)機(jī)駕駛員灰視、管狀視，甚至?xí)斐筛?G 引起意識喪失（G-LOC，highG-force-inducedloss of consciousness）等，影響人體自主神經(jīng)系統(tǒng)、心臟功能、腦血流量、組織氧水平等，嚴(yán)重威脅現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的訓(xùn)練、飛行安全[1-8]。研究還表明，載人航天器在發(fā)射與座艙返回階段，航天員所承受正加速度可達(dá)到 5-8G，在應(yīng)急逃逸過程中，航天員所受的正加速度最大值能達(dá)到 15G。高加速度（高 G）力學(xué)環(huán)境對人體及細(xì)胞的影響[9-12]，越來越多地受到科研工作者的重視。

1.1 研究背景隨著現(xiàn)代武器裝備、科研設(shè)備的飛速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性能越來越強(qiáng)大，最新研制的殲 15 艦載機(jī)（如圖 1-1）、殲 20 第五代戰(zhàn)斗機(jī)性能位于世界前列；中國空間站計(jì)劃正一步一步完成，載人航空航天活動因此越來越頻繁（如圖 1-2）。飛行員和宇航員會有越來越多的機(jī)會處在高加速度環(huán)境中，持續(xù)的高加速度（高 G）力學(xué)環(huán)境對人體機(jī)能產(chǎn)生很大影響。研究顯示，高性能戰(zhàn)斗機(jī)可產(chǎn)生高達(dá) 9-12G 的加速度，加速持續(xù)時間可達(dá) 45s，這種極端的力學(xué)環(huán)境會對戰(zhàn)機(jī)駕駛員的身體產(chǎn)生很大傷害，比如可以造成戰(zhàn)機(jī)駕駛員灰視、管狀視，甚至?xí)斐筛?G 引起意識喪失（G-LOC，highG-force-inducedloss of consciousness）等，影響人體自主神經(jīng)系統(tǒng)、心臟功能、腦血流量、組織氧水平等，嚴(yán)重威脅現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的訓(xùn)練、飛行安全[1-8]。研究還表明，載人航天器在發(fā)射與座艙返回階段，航天員所承受正加速度可達(dá)到 5-8G，在應(yīng)急逃逸過程中，航天員所受的正加速度最大值能達(dá)到 15G。高加速度（高 G）力學(xué)環(huán)境對人體及細(xì)胞的影響[9-12]，越來越多地受到科研工作者的重視。

1.2.3 載人離心機(jī)的發(fā)展在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，培訓(xùn)人員主要使用載人離心機(jī)來制造持續(xù)的超重環(huán)境，模擬航天器起飛、入軌、再入、返回的超重曲線，使航天員對超重環(huán)境有周期性的體驗(yàn)，提高航天員對超重過載值的耐受能力，并且訓(xùn)練航天員在此種條件下對航天器的操作能力1935 年，首座載人離心機(jī)在德國柏林落成。隨后二十世紀(jì)四十到六十年代，許多航空業(yè)發(fā)達(dá)的國家也建造自己的載人離心機(jī)進(jìn)行航天員的訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)。美國航空航天局 NASA擁有各種離心機(jī)用于研究實(shí)驗(yàn)，比較有名的是 20G 離心機(jī)（如圖 1-3），主要用于訓(xùn)練航天員并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。美國維勒實(shí)驗(yàn)室（WyleLaboratories）研制的 Wyle 載人離心機(jī)（如圖 1-4），可以模擬 F-16 駕駛艙，用于訓(xùn)練駕駛員和飛行模擬。2012 年，美國環(huán)境構(gòu)建公司（Environmental Tectonics Corporation，ETC）研制的 ATFS-400 載人離心機(jī)（如圖 1-5），是現(xiàn)今性能最為出色的載人離心機(jī)之一，其擁有多種戰(zhàn)斗機(jī)的高度仿真模擬座艙，含有速度模擬、儀表、視野、駕駛艙環(huán)境和控制方式等模擬裝置，可以模擬三個自由度的飛行運(yùn)動。此離心裝置不僅可以針對航空醫(yī)學(xué)、高 G 耐力適應(yīng)訓(xùn)練等研究，還具備各種基本訓(xùn)練和各種專業(yè)功能訓(xùn)練等飛行模式的模擬，是現(xiàn)今世界高性能載人離心機(jī)（飛行模擬設(shè)備）的頂尖水平，是我國載人離心機(jī)研發(fā)的方向[27-28]。

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