论文部分内容阅读
人体因膀胱括约肌损伤或神经功能障碍而引起的重度尿失禁,不仅会导致会阴部、骶尾部皮炎及压力性溃疡等并发症,还严重影响患者的日常生活和心理健康。尿失禁常发生于不同年龄层和性别人群中,尤其以女性和老年人居多,目前临床上难以通过药物或手术完全治疗,必须采取尿道自主控制措施。为了解决此问题,本文提出一种磁耦合谐振式无线供电SMA(形状记忆合金)驱动的尿道阀,建立了尿道阀的驱动力模型,仿真与实验研究了尿道阀的驱动特性,实验验证了尿道阀的启闭特性,仿真分析了尿道阀的可靠性。具体工作内容如下: 根据尿道阀的结构特征及对永磁体闭合尿道的磁吸力要求,研究了 SMA弹簧电热特性,验证了尿道阀的可行性。基于材料力学,修正了 SMA的本构模型,建立了SMA弹簧的力学模型。基于热力学原理,建立了电流与SMA弹簧温度的数学关系式。基于高频电子电路学和电磁学理论,分析了磁耦合谐振式无线供电系统,建立了无线电能传输耦合模型。结合以上数学模型,建立了无线供电 SMA驱动的尿道阀的驱动力模型。 根据SMA弹簧形变要求,设计了功率放大模块,搭建了无线供电SMA驱动的尿道阀模拟实验平台,实验验证了尿道阀的驱动力模型的准确性。根据尿道阀的驱动力模型,利用Matlab仿真分析了SMA弹簧结构参数对驱动力的影响规律,仿真与实验研究了无线供电系统的控制参数与线圈结构参数对尿道阀驱动特性的影响,实验验证了尿道阀的启闭特性。 利用故障树分析法,对尿道阀进行了可靠性分析。结合蒙特卡罗法,提出了尿道阀的可靠性仿真算法,通过该算法仿真计算了尿道阀的可靠性指标,利用理论计算验证了可靠性指标的正确性。 研究结果表明:尿道阀原理可行,启闭特性良好,驱动力模型和可靠性仿真算法有效;增大弹簧线径,减小中径和匝数均可提高驱动特性;当信号源频率与线圈自谐振频率接近时,可获得最优的驱动效果;增大信号源电压、线圈直径、线径和匝数,均能提高尿道阀的驱动特性;弹簧疲劳是影响尿道阀寿命的关键因素,尿道阀寿命达到50000次的可靠度为0.82。研究结果可为尿道阀的特性分析与结构优化设计提供理论指导,也可为适于临床的膀胱辅助排尿系统的尿液配流方案设计提供参考。