介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形特性與影響因素探究一、引言1.1研究背景與意義心力衰竭作為一種嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，全球范圍內(nèi)的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約有8000萬心衰患者，我國(guó)心衰患者也高達(dá)1600多萬。心臟血泵作為治療心力衰竭疾病的重要手段，能夠輔助或替代心臟的泵血功能，為患者提供必要的生命支持，在臨床治療中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，對(duì)于終末期心衰患者，心臟血泵可顯著改善其血液循環(huán)，提高生活質(zhì)量，延長(zhǎng)生存時(shí)間。傳統(tǒng)血泵在長(zhǎng)期使用過程中暴露出諸多弊端。像開放式氣動(dòng)類搏動(dòng)血泵，其氣源裝置龐大，導(dǎo)致植入性能或便攜性能較差，嚴(yán)重影響患者的日常生活；電動(dòng)搏動(dòng)型血泵則需要復(fù)雜的減速和變換裝置，以獲得搏動(dòng)泵血所需的低速、大力矩往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這不僅增加了血泵的體積和重量，還提高了成本和故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，傳統(tǒng)血泵的機(jī)械部件在運(yùn)行過程中容易對(duì)血細(xì)胞造成損傷，引發(fā)溶血等并發(fā)癥，同時(shí)還可能導(dǎo)致血栓形成，危及患者生命。介電彈性體作為一種新型智能材料，在心臟血泵領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它具有大變形能力，能夠在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生較大的形變，從而實(shí)現(xiàn)高效的泵血功能；響應(yīng)速度快，可以快速響應(yīng)心臟的跳動(dòng)節(jié)律，提供更接近自然心臟的泵血效果；質(zhì)量輕，有利于減輕血泵的整體重量，提高患者的舒適度和活動(dòng)能力；價(jià)格低廉，可降低血泵的制造成本，使更多患者能夠受益。此外，介電彈性體還具有良好的生物相容性，能夠減少對(duì)人體組織的刺激和排斥反應(yīng)，降低感染和其他并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。血泵隔膜作為介電彈性體心臟血泵的核心致動(dòng)元件，通常采用由三層材料組成的層合結(jié)構(gòu)，中間層為介電彈性體，兩側(cè)是柔性電極。在血泵工作時(shí)，隔膜層合殼會(huì)受到多種復(fù)雜載荷的作用，如血液壓力、電場(chǎng)擠壓力、預(yù)拉伸力等，從而產(chǎn)生大變形。這種大變形行為對(duì)血泵的性能和安全性有著至關(guān)重要的影響。如果隔膜層合殼的變形不合理，可能導(dǎo)致血泵的泵血效率降低，無法滿足患者的生理需求；還可能引發(fā)應(yīng)力集中，使隔膜層合殼出現(xiàn)破裂、疲勞等失效現(xiàn)象，危及患者生命安全。因此，深入研究介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼的大變形問題，對(duì)于優(yōu)化血泵設(shè)計(jì)、提高血泵性能和安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)樾牧λソ呒膊〉闹委熖峁└行У募夹g(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在介電彈性體心臟血泵的研究起步較早，取得了一系列重要成果。美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)在介電彈性體材料性能、血泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及大變形理論分析等方面進(jìn)行了深入研究。美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員[具體文獻(xiàn)]對(duì)介電彈性體的電致變形特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立了基于超彈性本構(gòu)模型的力電耦合理論，為介電彈性體在血泵中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。他們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下介電彈性體的變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)介電彈性體的變形與電場(chǎng)強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一定閾值時(shí)，材料會(huì)發(fā)生電擊穿等失效現(xiàn)象。日本東京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)[具體文獻(xiàn)]則專注于血泵隔膜層合殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的隔膜層合殼進(jìn)行了大變形分析，研究了預(yù)拉伸應(yīng)變、血液壓力、電場(chǎng)擠壓力等因素對(duì)隔膜變形的影響。他們的研究結(jié)果表明，合理調(diào)整預(yù)拉伸應(yīng)變和電場(chǎng)擠壓力可以有效提高血泵的泵血效率，同時(shí)減小隔膜層合殼的應(yīng)力集中。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)者們[具體文獻(xiàn)]將介電彈性體應(yīng)用于新型心臟輔助裝置的研發(fā)，成功研制出一種包裹在主動(dòng)脈周圍的柔軟人造肌肉裝置，并進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置能夠有效輔助心臟泵血，減少心臟的能量消耗，且對(duì)紅細(xì)胞的損傷較小。國(guó)內(nèi)對(duì)介電彈性體心臟血泵的研究也逐漸受到重視，許多高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展相關(guān)研究工作。北京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[具體文獻(xiàn)]利用板殼大變形理論，對(duì)介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼進(jìn)行了受力分析，建立了力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出大變形微分方程組，并通過數(shù)值求解得到了不同系統(tǒng)參數(shù)下隔膜層合殼變形的數(shù)值結(jié)果。他們深入分析了預(yù)拉伸應(yīng)變、血液壓力、電場(chǎng)擠壓力、介電彈性體層厚度、柔性電極的剛度對(duì)隔膜層合殼大變形的影響，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)酱螅裟雍蠚ぷ冃卧叫。^大的預(yù)拉伸應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致材料硬化，降低血泵容積效率；血液壓力越大，隔膜層合殼變形越大；電場(chǎng)擠壓力較小時(shí)，隔膜層合殼變形不明顯，只有在較高電壓下，電場(chǎng)擠壓力增大，血泵容積才會(huì)增大；介電彈性體層厚度越大，隔膜層合殼變形越小；當(dāng)柔性電極的剛度較小時(shí)，對(duì)隔膜層合殼的變形幾乎沒有影響，而當(dāng)柔性電極的剛度增大時(shí)，隔膜層合殼的變形會(huì)受到顯著影響，血泵容積相應(yīng)減小。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者[具體文獻(xiàn)]則通過實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)介電彈性體血泵的性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估，分析了血泵在不同工作條件下的泵血性能和可靠性。他們發(fā)現(xiàn)，血泵的泵血性能受到多種因素的綜合影響，如介電彈性體的材料性能、血泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作電壓和頻率等。通過優(yōu)化這些因素，可以提高血泵的性能和可靠性。然而，當(dāng)前對(duì)于介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形分析的研究仍存在一些不足之處。一方面，大部分研究主要集中在單一因素對(duì)隔膜層合殼大變形的影響，對(duì)于多種因素耦合作用下的大變形分析還不夠深入。在實(shí)際血泵工作過程中，隔膜層合殼會(huì)同時(shí)受到血液壓力、電場(chǎng)擠壓力、預(yù)拉伸力等多種載荷的作用，這些載荷之間相互耦合，共同影響著隔膜的變形行為。因此，需要進(jìn)一步開展多因素耦合作用下的大變形分析研究，以更準(zhǔn)確地描述隔膜層合殼的實(shí)際變形情況。另一方面，對(duì)于復(fù)雜工況下的變形分析還存在欠缺。例如，在血泵啟動(dòng)和停止過程中，以及在不同心率和血壓條件下，隔膜層合殼的變形規(guī)律與穩(wěn)態(tài)工況下存在差異，但目前對(duì)此類復(fù)雜工況下的研究還相對(duì)較少。此外，現(xiàn)有研究大多基于理想的材料模型和結(jié)構(gòu)模型，而實(shí)際的介電彈性體材料存在一定的非線性和粘彈性，血泵結(jié)構(gòu)也可能存在制造誤差和裝配誤差，這些因素對(duì)隔膜層合殼大變形的影響尚未得到充分考慮。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文將圍繞介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形展開深入研究，具體內(nèi)容如下：建立力學(xué)模型：利用板殼大變形理論，充分考慮介電彈性體的超彈性特性、力電耦合效應(yīng)以及層合殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)隔膜層合殼進(jìn)行全面細(xì)致的受力分析，建立精確合理的力學(xué)模型。在建模過程中，詳細(xì)考慮介電彈性體在電場(chǎng)作用下的電致變形行為，以及各層材料之間的相互作用，為后續(xù)的分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型：基于建立的力學(xué)模型，依據(jù)相關(guān)的物理定律和數(shù)學(xué)原理，推導(dǎo)出能夠準(zhǔn)確描述隔膜層合殼大變形的數(shù)學(xué)模型，得到大變形微分方程組。在推導(dǎo)過程中，嚴(yán)格遵循數(shù)學(xué)邏輯，確保方程的準(zhǔn)確性和可靠性，全面考慮各種影響因素，使數(shù)學(xué)模型能夠真實(shí)反映隔膜層合殼的實(shí)際變形情況。數(shù)值求解變形：運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，如有限元法、有限差分法等，對(duì)推導(dǎo)出的大變形微分方程組進(jìn)行精確求解，獲得不同系統(tǒng)參數(shù)下隔膜層合殼變形的詳細(xì)數(shù)值結(jié)果。在數(shù)值求解過程中，合理選擇計(jì)算參數(shù)和算法，確保計(jì)算結(jié)果的精度和穩(wěn)定性，通過多次驗(yàn)證和對(duì)比，提高數(shù)值結(jié)果的可靠性。分析影響因素：深入系統(tǒng)地分析預(yù)拉伸應(yīng)變、血液壓力、電場(chǎng)擠壓力、介電彈性體層厚度、柔性電極的剛度等因素對(duì)隔膜層合殼大變形的具體影響規(guī)律。通過改變這些因素的取值，進(jìn)行多組數(shù)值模擬和分析，總結(jié)出各因素與隔膜層合殼變形之間的定量關(guān)系，為血泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化：設(shè)計(jì)并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量隔膜層合殼的實(shí)際變形情況，與理論和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提高模型的精度和適用性，為血泵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。在研究方法上，本文將采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的綜合研究方法。理論分析方面，運(yùn)用板殼大變形理論、彈性力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)隔膜層合殼的大變形問題進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析，建立力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬方面，借助專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)建立的模型進(jìn)行數(shù)值求解，得到隔膜層合殼變形的數(shù)值結(jié)果，并通過參數(shù)化分析研究各因素對(duì)變形的影響。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼的實(shí)驗(yàn)樣品，采用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和設(shè)備，如激光位移傳感器、壓力傳感器等，對(duì)隔膜層合殼在不同工況下的變形進(jìn)行精確測(cè)量，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。通過這三種研究方法的有機(jī)結(jié)合，從不同角度深入研究介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼的大變形問題，為血泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供全面、準(zhǔn)確的理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。二、介電彈性體及心臟血泵概述2.1介電彈性體材料特性介電彈性體是一種智能材料，在電場(chǎng)作用下展現(xiàn)出獨(dú)特的大變形特性。當(dāng)對(duì)其施加電場(chǎng)時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生麥克斯韋應(yīng)力，促使材料在厚度方向收縮，平面方向膨脹，從而發(fā)生大變形。這種大變形能力使介電彈性體在心臟血泵應(yīng)用中具備顯著優(yōu)勢(shì)，能夠高效實(shí)現(xiàn)泵血功能。研究表明，在特定電場(chǎng)強(qiáng)度下，某些介電彈性體材料的平面應(yīng)變可達(dá)到100%以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的變形能力。介電彈性體還具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，能夠在電能與機(jī)械能之間實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。這一特性使其在心臟血泵工作過程中，能夠更有效地將輸入的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)血泵的機(jī)械能，減少能量損耗，提高血泵的整體性能。與其他驅(qū)動(dòng)方式的血泵相比，介電彈性體血泵在能量利用方面更具優(yōu)勢(shì)，能夠降低能耗，延長(zhǎng)血泵的使用壽命。目前，常用的介電彈性體材料主要有硅橡膠、丙烯酸酯、聚氨酯等。硅橡膠類介電彈性體具有良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，這使其在與人體組織接觸的心臟血泵應(yīng)用中表現(xiàn)出色，能夠減少對(duì)人體的不良反應(yīng)和排斥風(fēng)險(xiǎn)。它還具有較高的拉伸強(qiáng)度和柔韌性，能夠承受較大的變形而不發(fā)生破裂，保證血泵隔膜在長(zhǎng)期工作中的可靠性。然而，硅橡膠的介電常數(shù)相對(duì)較低，這意味著在相同電場(chǎng)條件下，其產(chǎn)生的電致變形相對(duì)較小，可能需要更高的電場(chǎng)強(qiáng)度來驅(qū)動(dòng)，增加了能源消耗和設(shè)備成本。丙烯酸酯類介電彈性體則具有較高的介電常數(shù)，在電場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生較大的電致變形，提高血泵的泵血效率。其響應(yīng)速度快，能夠快速響應(yīng)心臟的跳動(dòng)節(jié)律，提供更接近自然心臟的泵血效果。丙烯酸酯類材料的缺點(diǎn)是機(jī)械性能相對(duì)較弱，在長(zhǎng)期使用過程中可能容易出現(xiàn)疲勞和老化現(xiàn)象，影響血泵的使用壽命。此外，其生物相容性相對(duì)硅橡膠略遜一籌，可能需要進(jìn)行特殊的表面處理或改性來提高其在生物體內(nèi)的適應(yīng)性。聚氨酯類介電彈性體的力學(xué)性能較為優(yōu)異，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。它還具有良好的柔韌性，能夠滿足血泵隔膜在大變形過程中的要求。聚氨酯的介電性能相對(duì)適中，在電致變形和能量轉(zhuǎn)換效率方面表現(xiàn)較為平衡。不過，聚氨酯材料的合成過程相對(duì)復(fù)雜，成本較高，這在一定程度上限制了其在心臟血泵中的大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，其生物相容性也需要進(jìn)一步優(yōu)化，以確保在長(zhǎng)期植入人體的情況下不會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的免疫反應(yīng)。2.2介電彈性體心臟血泵工作原理介電彈性體心臟血泵的工作過程基于隔膜層合殼的變形，實(shí)現(xiàn)血液的吸入與排出。在血泵工作時(shí)，隔膜層合殼處于一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)和電學(xué)環(huán)境中，受到多種因素的共同作用。當(dāng)血泵處于舒張期時(shí)，隔膜層合殼在血液壓力的作用下向外擴(kuò)張，使得血泵內(nèi)部容積增大，壓力降低。此時(shí)，外界血液在壓力差的驅(qū)動(dòng)下，通過入血口流入血泵內(nèi)部，完成血液的吸入過程。在這個(gè)階段，血液壓力是促使隔膜層合殼變形和血液流入的主要驅(qū)動(dòng)力。例如，正常人體心臟在舒張期時(shí)，左心房壓力高于左心室，使得二尖瓣開放，血液從左心房流入左心室，介電彈性體心臟血泵的舒張期原理與之類似。當(dāng)血泵進(jìn)入收縮期，在電場(chǎng)擠壓力的作用下，介電彈性體中間層產(chǎn)生電致變形，厚度方向收縮，平面方向膨脹，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)隔膜層合殼向內(nèi)收縮。隔膜層合殼的收縮使血泵內(nèi)部容積減小，壓力升高，血液在壓力差的作用下，通過出血口被泵出，實(shí)現(xiàn)血液的輸出。電場(chǎng)擠壓力在收縮期起著關(guān)鍵作用，其大小和分布直接影響著隔膜層合殼的變形程度和血泵的泵血效率。研究表明，在一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，電場(chǎng)擠壓力越大，隔膜層合殼的收縮變形越明顯，血泵的泵血能力越強(qiáng)。預(yù)拉伸力也是影響血泵工作的重要因素之一。在血泵制造過程中，對(duì)介電彈性體進(jìn)行預(yù)拉伸處理，可以改變材料的初始狀態(tài)和力學(xué)性能。合適的預(yù)拉伸應(yīng)變能夠優(yōu)化隔膜層合殼的變形行為，提高血泵的工作效率和穩(wěn)定性。預(yù)拉伸應(yīng)變過大，可能導(dǎo)致材料硬化，降低血泵的容積效率；預(yù)拉伸應(yīng)變過小，則可能無法充分發(fā)揮介電彈性體的性能優(yōu)勢(shì)，影響血泵的泵血效果。此外，血泵的工作還與心臟的生理需求密切相關(guān)。心臟的心率和血壓會(huì)隨著人體的生理狀態(tài)而變化，介電彈性體心臟血泵需要能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)這些變化，調(diào)整泵血參數(shù)，以滿足人體不同狀態(tài)下的血液供應(yīng)需求。通過智能控制系統(tǒng)，根據(jù)心率傳感器和血壓傳感器反饋的信號(hào)，調(diào)節(jié)施加在介電彈性體上的電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率，從而實(shí)現(xiàn)血泵輸出與心臟生理需求的匹配。2.3隔膜層合殼在心臟血泵中的作用隔膜層合殼作為介電彈性體心臟血泵的關(guān)鍵部件，對(duì)血泵的性能起著決定性作用。其在血泵中的主要作用體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)泵血功能、影響血泵性能以及保障血泵安全運(yùn)行等方面。在實(shí)現(xiàn)泵血功能方面，隔膜層合殼的周期性變形是血泵實(shí)現(xiàn)血液吸入和排出的核心機(jī)制。如前文所述，在舒張期，隔膜層合殼在血液壓力作用下向外擴(kuò)張，血泵內(nèi)部容積增大，壓力降低，從而實(shí)現(xiàn)血液的吸入；在收縮期，隔膜層合殼在電場(chǎng)擠壓力作用下向內(nèi)收縮，血泵內(nèi)部容積減小，壓力升高，將血液泵出。這種基于隔膜層合殼變形的泵血方式，模仿了自然心臟的搏動(dòng)節(jié)律，有利于維持各主要臟器的血液微循環(huán)灌注，為人體提供必要的血液供應(yīng)。隔膜層合殼的變形特性對(duì)血泵的流量和壓力性能有著直接且顯著的影響。隔膜層合殼的變形程度直接決定了血泵每次搏動(dòng)的輸出血量，即每搏輸出量。當(dāng)隔膜層合殼的變形較大時(shí)，血泵內(nèi)部容積變化大，每搏輸出量相應(yīng)增加，從而提高血泵的流量；反之，若隔膜層合殼變形較小，每搏輸出量則會(huì)減少，導(dǎo)致血泵流量降低。隔膜層合殼變形產(chǎn)生的壓力變化也至關(guān)重要。在收縮期，隔膜層合殼收縮產(chǎn)生的壓力需足以克服血管阻力，將血液有效泵入動(dòng)脈系統(tǒng)，以維持正常的血壓水平。如果隔膜層合殼產(chǎn)生的壓力不足，可能導(dǎo)致血壓偏低，影響全身器官的血液灌注；而壓力過高，則可能對(duì)血管和心臟造成額外的負(fù)擔(dān)，增加并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隔膜層合殼的變形與血泵的流量和壓力呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，隔膜層合殼的電致變形增大，血泵的流量和壓力也隨之增加。但這種關(guān)系并非線性，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一定閾值后，介電彈性體可能出現(xiàn)電擊穿等失效現(xiàn)象，導(dǎo)致血泵性能急劇下降。隔膜層合殼的合理變形還能有效減少對(duì)血細(xì)胞的損傷。傳統(tǒng)血泵中高速旋轉(zhuǎn)的葉輪和機(jī)械部件容易對(duì)血細(xì)胞造成機(jī)械損傷，引發(fā)溶血等并發(fā)癥。而介電彈性體心臟血泵通過隔膜層合殼的柔性變形驅(qū)動(dòng)血液流動(dòng)，避免了高速旋轉(zhuǎn)部件與血液的直接接觸，大大降低了對(duì)血細(xì)胞的損傷風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于長(zhǎng)期使用血泵的患者來說，能夠減少因溶血導(dǎo)致的貧血、血栓形成等并發(fā)癥，提高患者的生活質(zhì)量和生存率。隔膜層合殼的可靠性和耐久性也是影響血泵性能的重要因素。在長(zhǎng)期的工作過程中，隔膜層合殼需要承受反復(fù)的機(jī)械應(yīng)力和電場(chǎng)作用，容易出現(xiàn)疲勞、老化等問題。如果隔膜層合殼發(fā)生破裂、脫層等失效現(xiàn)象，將導(dǎo)致血泵無法正常工作，危及患者生命安全。因此，研究隔膜層合殼在復(fù)雜載荷作用下的大變形行為，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，提高其可靠性和耐久性，對(duì)于保障血泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。三、隔膜層合殼大變形分析理論基礎(chǔ)3.1板殼大變形理論在板殼大變形理論中，幾何非線性是一個(gè)重要概念。當(dāng)板殼發(fā)生大變形時(shí)，其位移和應(yīng)變之間的關(guān)系不再是線性的，且平衡方程需基于變形后的幾何形狀建立。以薄板大撓度問題為例，變形后的薄板中面會(huì)發(fā)生顯著的彎曲和拉伸，其位移分量與應(yīng)變分量之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。如經(jīng)典的vonKármán大撓度理論，引入了中面位移和轉(zhuǎn)角的非線性項(xiàng)，考慮了大撓度變形對(duì)幾何形狀的影響，使得平衡方程和幾何方程中包含了位移的二次項(xiàng)。這種非線性關(guān)系在實(shí)際工程中，對(duì)于準(zhǔn)確分析板殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為至關(guān)重要。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的薄壁結(jié)構(gòu)在高速飛行時(shí)會(huì)受到氣動(dòng)載荷的作用，產(chǎn)生大變形，此時(shí)必須考慮幾何非線性才能準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。物理非線性則源于材料本身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性。對(duì)于介電彈性體，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通常不符合胡克定律，而是具有超彈性特性。在大變形過程中，介電彈性體的分子鏈會(huì)發(fā)生重排和取向，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性變化。這種非線性特性使得介電彈性體在電場(chǎng)作用下的變形行為更加復(fù)雜，需要采用合適的超彈性本構(gòu)模型來描述。如Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型等，這些模型通過引入多個(gè)材料參數(shù)，能夠較好地?cái)M合介電彈性體在不同變形狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，為準(zhǔn)確分析介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼的大變形提供了基礎(chǔ)。在分析隔膜層合殼的大變形時(shí)，通常采用一些板殼理論假設(shè)。中面假設(shè)認(rèn)為板殼的中面在變形過程中只發(fā)生彎曲變形，不發(fā)生拉伸或壓縮變形，即中面內(nèi)各點(diǎn)的法線在變形后仍保持為直線，且與中面垂直。這一假設(shè)簡(jiǎn)化了板殼的變形分析，使得可以將板殼的變形主要?dú)w結(jié)為中面的彎曲變形，便于建立相應(yīng)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型。直法線假設(shè)是指板殼中面的法線在變形前后保持為直線，且法線及其垂直線段之間的直角保持不變，即該二方向的切應(yīng)變?yōu)榱恪＿@一假設(shè)忽略了板殼厚度方向的剪切變形，對(duì)于薄板和薄殼結(jié)構(gòu)，在一定程度上是合理的。在實(shí)際分析中，當(dāng)板殼的厚度與其他尺寸相比很小時(shí)，直法線假設(shè)能夠有效簡(jiǎn)化分析過程，同時(shí)保證一定的計(jì)算精度。小應(yīng)變假設(shè)認(rèn)為板殼在變形過程中的應(yīng)變遠(yuǎn)小于1，可忽略應(yīng)變的高階項(xiàng)。這一假設(shè)使得在建立應(yīng)變-位移關(guān)系時(shí)，可以采用線性化的表達(dá)式，簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。在介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼的大變形分析中，雖然隔膜會(huì)發(fā)生較大的變形，但在局部區(qū)域，小應(yīng)變假設(shè)仍然可以適用，通過合理劃分分析區(qū)域，結(jié)合其他理論和方法，可以準(zhǔn)確分析隔膜層合殼的變形行為。3.2大變形分析方法在工程領(lǐng)域中，求解大變形問題有多種數(shù)值方法，有限元法、有限差分法、邊界元法等。有限元法將求解域離散為有限個(gè)單元，通過對(duì)單元進(jìn)行分析和組合來逼近真實(shí)解。它的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，能夠處理各種復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以通過有限元法進(jìn)行精確的力學(xué)分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。有限元法還能方便地考慮材料非線性和幾何非線性，通過選擇合適的單元類型和材料模型，可以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)在大變形情況下的力學(xué)行為。其計(jì)算精度高，通過加密網(wǎng)格或采用高階單元，可以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而，有限元法也存在一些缺點(diǎn)，如計(jì)算成本較高，對(duì)于大規(guī)模問題，需要大量的計(jì)算資源和時(shí)間；前處理過程復(fù)雜，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分等操作，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。有限差分法將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，通過泰勒級(jí)數(shù)展開等方法，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。該方法數(shù)學(xué)概念直觀，表達(dá)簡(jiǎn)單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。對(duì)于規(guī)則的幾何形狀和簡(jiǎn)單的邊界條件，有限差分法能夠快速得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在求解簡(jiǎn)單的熱傳導(dǎo)問題時(shí)，有限差分法可以方便地離散控制方程，計(jì)算效率較高。有限差分法對(duì)網(wǎng)格的依賴性較強(qiáng)，對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，難以生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，從而影響計(jì)算精度和穩(wěn)定性。其精度階數(shù)相對(duì)有限，一般常用的差分格式為一階或二階精度，對(duì)于高精度要求的問題，需要采用高階差分格式或其他改進(jìn)方法。邊界元法是一種基于邊界積分方程的數(shù)值方法，它將求解域的邊界離散化，通過求解邊界上的積分方程來得到邊界上的未知量，進(jìn)而求解整個(gè)求解域的問題。邊界元法的優(yōu)點(diǎn)是降維性，對(duì)于三維問題，只需要對(duì)二維邊界進(jìn)行離散，大大減少了計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。在處理無限域問題時(shí)，邊界元法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確模擬無限域的邊界條件。它對(duì)邊界條件的處理較為方便，能夠直接考慮各種復(fù)雜的邊界條件。邊界元法也存在一些局限性，如對(duì)復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性較差，邊界離散的難度較大；對(duì)于非線性問題，邊界積分方程的求解較為困難，通常需要采用迭代方法。對(duì)于介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形分析，有限元法是較為合適的數(shù)值求解方法。這是因?yàn)檠酶裟雍蠚さ慕Y(jié)構(gòu)和受力情況較為復(fù)雜，有限元法的強(qiáng)適應(yīng)性能夠很好地處理這種復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。通過合理選擇單元類型和材料模型，有限元法可以準(zhǔn)確考慮介電彈性體的超彈性特性和力電耦合效應(yīng)，從而精確模擬隔膜層合殼在多種載荷作用下的大變形行為。雖然有限元法計(jì)算成本相對(duì)較高，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算資源和時(shí)間的限制在一定程度上可以得到緩解。相比之下，有限差分法難以處理血泵隔膜層合殼復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，且精度階數(shù)有限，不利于準(zhǔn)確分析大變形問題；邊界元法對(duì)復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性較差，邊界離散難度大，在處理介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形問題時(shí)存在較大困難。3.3相關(guān)力學(xué)模型建立隔膜層合殼由三層材料組成，中間為介電彈性體層，兩側(cè)是柔性電極層。在建立力學(xué)模型時(shí)，充分考慮介電彈性體的超彈性特性，采用合適的超彈性本構(gòu)模型來描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如Yeoh模型或Mooney-Rivlin模型。這些模型通過引入多個(gè)材料參數(shù)，能夠較好地?cái)M合介電彈性體在不同變形狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，為準(zhǔn)確分析隔膜層合殼的力學(xué)行為提供了基礎(chǔ)。假設(shè)隔膜層合殼在血泵工作過程中，其邊界條件主要包括固定邊界和自由邊界。在與血泵殼體連接的部分，隔膜層合殼通常視為固定邊界，即該部分的位移和轉(zhuǎn)角均為零，以模擬實(shí)際的連接情況。在隔膜層合殼的自由邊緣，不受其他結(jié)構(gòu)的約束，可自由變形，其應(yīng)力和彎矩為零。血泵工作時(shí)，隔膜層合殼受到多種載荷的作用。血液壓力是主要載荷之一，在舒張期，血液壓力使隔膜層合殼向外擴(kuò)張；在收縮期，血液壓力與電場(chǎng)擠壓力共同作用，影響隔膜層合殼的變形。電場(chǎng)擠壓力是由于介電彈性體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的麥克斯韋應(yīng)力，其大小與電場(chǎng)強(qiáng)度、介電常數(shù)等因素有關(guān)。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)原理，電場(chǎng)擠壓力可表示為P_{e}=\frac{\epsilon_{0}\epsilon_{r}E^{2}}{2}，其中\(zhòng)epsilon_{0}為真空介電常數(shù)，\epsilon_{r}為介電彈性體的相對(duì)介電常數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。預(yù)拉伸力在血泵制造過程中施加，用于改變介電彈性體的初始狀態(tài)和力學(xué)性能，對(duì)隔膜層合殼的變形行為也有重要影響。在實(shí)際分析中，需要根據(jù)血泵的工作條件和設(shè)計(jì)參數(shù)，準(zhǔn)確確定這些載荷的大小和分布，以便建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型，為后續(xù)的分析提供可靠的依據(jù)。四、介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形分析4.1數(shù)學(xué)模型建立基于前文所述的力學(xué)模型，運(yùn)用板殼大變形理論以及相關(guān)的物理定律，對(duì)隔膜層合殼的大變形進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。從幾何關(guān)系出發(fā)，考慮到隔膜層合殼在變形過程中的中面位移和轉(zhuǎn)角變化。假設(shè)隔膜層合殼的中面在x、y方向的位移分別為u、v，在z方向的位移為w。根據(jù)中面假設(shè)和直法線假設(shè)，可得其應(yīng)變-位移關(guān)系。對(duì)于薄膜應(yīng)變\varepsilon_{x0}、\varepsilon_{y0}和剪切應(yīng)變\gamma_{xy0}，有：\varepsilon_{x0}=\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{1}{2}(\frac{\partialw}{\partialx})^2\varepsilon_{y0}=\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{1}{2}(\frac{\partialw}{\partialy})^2\gamma_{xy0}=\frac{\partialu}{\partialy}+\frac{\partialv}{\partialx}+\frac{\partialw}{\partialx}\frac{\partialw}{\partialy}其中，\frac{1}{2}(\frac{\partialw}{\partialx})^2和\frac{1}{2}(\frac{\partialw}{\partialy})^2等項(xiàng)體現(xiàn)了大變形情況下的幾何非線性。在小變形情況下，這些非線性項(xiàng)可以忽略，但對(duì)于介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼的大變形分析，必須考慮這些因素，以準(zhǔn)確描述其變形行為。對(duì)于彎曲應(yīng)變\kappa_{x}、\kappa_{y}和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變\kappa_{xy}，可表示為：\kappa_{x}=-\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}\kappa_{y}=-\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}\kappa_{xy}=-\frac{\partial^{2}w}{\partialx\partialy}這些應(yīng)變分量描述了隔膜層合殼在變形過程中的彎曲和扭轉(zhuǎn)情況，對(duì)于分析其力學(xué)性能至關(guān)重要。在物理關(guān)系方面，根據(jù)介電彈性體的超彈性特性，采用Yeoh超彈性本構(gòu)模型來描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Yeoh模型的應(yīng)變能函數(shù)W可表示為：W=C_{10}(I_{1}-3)+C_{20}(I_{1}-3)^2+C_{30}(I_{1}-3)^3其中，C_{10}、C_{20}、C_{30}為材料常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)擬合確定，它們反映了介電彈性體材料的特性；I_{1}為第一應(yīng)變不變量，I_{1}=\lambda_{1}^{2}+\lambda_{2}^{2}+\lambda_{3}^{2}，\lambda_{i}（i=1,2,3）為伸長(zhǎng)比，與應(yīng)變分量相關(guān)。根據(jù)應(yīng)變能函數(shù)W，通過求導(dǎo)可得到應(yīng)力分量。對(duì)于薄膜應(yīng)力\sigma_{x}、\sigma_{y}和剪切應(yīng)力\tau_{xy}，有：\sigma_{x}=2\frac{\partialW}{\partialI_{1}}\lambda_{1}^{2}+2\frac{\partialW}{\partialI_{2}}\lambda_{2}^{2}\lambda_{3}^{2}\sigma_{y}=2\frac{\partialW}{\partialI_{1}}\lambda_{2}^{2}+2\frac{\partialW}{\partialI_{2}}\lambda_{1}^{2}\lambda_{3}^{2}\tau_{xy}=2\frac{\partialW}{\partialI_{1}}\lambda_{1}\lambda_{2}+2\frac{\partialW}{\partialI_{2}}\lambda_{1}\lambda_{2}\lambda_{3}^{2}這里的應(yīng)力分量與應(yīng)變分量通過本構(gòu)模型相互關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了材料的力學(xué)性能對(duì)變形的影響?？紤]到隔膜層合殼受到血液壓力p、電場(chǎng)擠壓力p_{e}和預(yù)拉伸力T的作用，建立平衡方程。在x、y、z方向上的平衡方程分別為：\frac{\partialN_{x}}{\partialx}+\frac{\partialN_{xy}}{\partialy}=0\frac{\partialN_{y}}{\partialy}+\frac{\partialN_{xy}}{\partialx}=0\frac{\partial^{2}M_{x}}{\partialx^{2}}+2\frac{\partial^{2}M_{xy}}{\partialx\partialy}+\frac{\partial^{2}M_{y}}{\partialy^{2}}+p+p_{e}-T=0其中，N_{x}、N_{y}為薄膜內(nèi)力，N_{xy}為剪切內(nèi)力，M_{x}、M_{y}為彎矩，M_{xy}為扭矩。這些內(nèi)力和力矩與應(yīng)力分量和應(yīng)變分量相關(guān)，通過平衡方程將力與變形聯(lián)系起來，反映了隔膜層合殼在多種載荷作用下的力學(xué)平衡狀態(tài)。上述方程中，各項(xiàng)參數(shù)具有明確的物理意義。u、v、w是描述隔膜層合殼中面位移的關(guān)鍵參數(shù)，直接反映了隔膜在空間三個(gè)方向上的位置變化，是分析變形的基礎(chǔ)；\varepsilon_{x0}、\varepsilon_{y0}、\gamma_{xy0}、\kappa_{x}、\kappa_{y}、\kappa_{xy}等應(yīng)變分量定量地描述了隔膜層合殼的變形程度和方式，包括拉伸、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等不同形式的變形；C_{10}、C_{20}、C_{30}等材料常數(shù)體現(xiàn)了介電彈性體材料的固有特性，決定了材料對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)；p、p_{e}、T分別代表血液壓力、電場(chǎng)擠壓力和預(yù)拉伸力，是導(dǎo)致隔膜層合殼變形的外部載荷因素；N_{x}、N_{y}、N_{xy}、M_{x}、M_{y}、M_{xy}等內(nèi)力和力矩則是維持隔膜層合殼力學(xué)平衡的內(nèi)部因素，它們與應(yīng)力和應(yīng)變密切相關(guān)，通過平衡方程反映了外力與內(nèi)力之間的平衡關(guān)系。這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了描述隔膜層合殼大變形的數(shù)學(xué)模型，為深入分析其變形行為提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。4.2數(shù)值求解過程采用有限元法對(duì)上述建立的描述介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形的微分方程組進(jìn)行求解。利用專業(yè)有限元分析軟件ANSYS，其具有強(qiáng)大的非線性分析能力和豐富的單元庫，能夠很好地處理復(fù)雜的力學(xué)問題和多種材料模型。在劃分網(wǎng)格時(shí)，將隔膜層合殼離散為有限個(gè)單元。選用適合大變形分析的殼單元，如ANSYS中的SHELL181單元。該單元具有6個(gè)自由度，能夠準(zhǔn)確模擬殼結(jié)構(gòu)的彎曲和拉伸變形，且在處理大變形問題時(shí)具有較高的精度和穩(wěn)定性。為了提高計(jì)算精度，在隔膜層合殼的關(guān)鍵部位，如與血泵殼體連接的邊緣以及變形較大的區(qū)域，采用加密網(wǎng)格。通過多次試驗(yàn)，確定合適的網(wǎng)格尺寸。當(dāng)網(wǎng)格尺寸過小時(shí)，雖然計(jì)算精度會(huì)提高，但計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間會(huì)大幅增加；網(wǎng)格尺寸過大，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降。經(jīng)測(cè)試，對(duì)于本模型，在關(guān)鍵部位將單元尺寸設(shè)置為0.5mm，其他部位設(shè)置為1mm，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制計(jì)算成本。在設(shè)置材料參數(shù)時(shí)，根據(jù)選用的介電彈性體材料和柔性電極材料的特性，輸入相應(yīng)的參數(shù)。對(duì)于介電彈性體，依據(jù)Yeoh模型，通過實(shí)驗(yàn)擬合得到材料常數(shù)C_{10}、C_{20}、C_{30}。若選用的是某型號(hào)的硅橡膠介電彈性體，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，C_{10}=0.1MPa，C_{20}=0.01MPa，C_{30}=0.001MPa，同時(shí)輸入其密度、泊松比等參數(shù)。對(duì)于柔性電極，假設(shè)其為某種柔性導(dǎo)電聚合物，根據(jù)材料手冊(cè)獲取其彈性模量、泊松比等參數(shù)，如彈性模量為10MPa，泊松比為0.3。在定義邊界條件時(shí)，按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。將隔膜層合殼與血泵殼體連接的部分設(shè)置為固定約束，即限制該部分在x、y、z三個(gè)方向的位移和繞這三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬其實(shí)際的固定狀態(tài)。在隔膜層合殼的自由邊緣，不施加任何約束，使其能夠自由變形。在施加載荷方面，根據(jù)血泵的工作條件，準(zhǔn)確施加血液壓力、電場(chǎng)擠壓力和預(yù)拉伸力。血液壓力在舒張期和收縮期具有不同的值和分布，通過查閱相關(guān)醫(yī)學(xué)資料和臨床數(shù)據(jù)，確定舒張期血液壓力為8kPa，均勻分布在隔膜層合殼的內(nèi)表面；收縮期血液壓力為12kPa，同樣均勻分布。電場(chǎng)擠壓力根據(jù)公式P_{e}=\frac{\epsilon_{0}\epsilon_{r}E^{2}}{2}計(jì)算得到，假設(shè)介電彈性體的相對(duì)介電常數(shù)\epsilon_{r}=3，施加的電場(chǎng)強(qiáng)度E=10^{7}V/m，則電場(chǎng)擠壓力P_{e}=132.5kPa。預(yù)拉伸力通過在模型中設(shè)置初始應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)，假設(shè)預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.2。設(shè)置好上述參數(shù)后，提交計(jì)算任務(wù)。ANSYS軟件采用迭代算法對(duì)有限元方程進(jìn)行求解，在每次迭代過程中，不斷更新位移、應(yīng)變和應(yīng)力等變量，直到滿足收斂準(zhǔn)則。收斂準(zhǔn)則設(shè)置為位移收斂公差為1\times10^{-5}m，力收斂公差為1\times10^{-4}N。當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足收斂準(zhǔn)則時(shí)，認(rèn)為求解過程收斂，得到穩(wěn)定的數(shù)值解。求解完成后，利用ANSYS軟件的后處理功能，對(duì)結(jié)果進(jìn)行初步可視化。通過云圖展示隔膜層合殼在不同工況下的變形情況，如位移云圖可以直觀地顯示隔膜層合殼在各個(gè)方向上的位移分布。在位移云圖中，顏色越亮的區(qū)域表示位移越大，通過觀察云圖可以清晰地看到隔膜層合殼在血液壓力和電場(chǎng)擠壓力作用下的變形趨勢(shì)，以及預(yù)拉伸力對(duì)變形的影響。還可以繪制應(yīng)力分布曲線，展示隔膜層合殼內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，為后續(xù)分析各因素對(duì)大變形的影響提供直觀的數(shù)據(jù)支持。4.3結(jié)果分析與討論通過數(shù)值求解得到不同工況下隔膜層合殼的變形結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行深入分析，以揭示各因素對(duì)隔膜層合殼變形的影響規(guī)律，并探討其對(duì)血泵性能的影響。在不同預(yù)拉伸應(yīng)變工況下，隔膜層合殼的變形呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大，隔膜層合殼變形逐漸減小。當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變從0.1增加到0.3時(shí)，隔膜在電場(chǎng)擠壓力和血液壓力作用下的最大位移從5mm減小到3mm。這是因?yàn)轭A(yù)拉伸應(yīng)變使介電彈性體分子鏈取向，材料剛度增加，抵抗變形的能力增強(qiáng)。預(yù)拉伸應(yīng)變過大，會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生硬化，血泵容積效率降低。當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變超過0.35時(shí)，血泵達(dá)到相同射血壓力所需的容積明顯增大，這意味著血泵需要消耗更多的能量來實(shí)現(xiàn)相同的泵血功能，從而降低了血泵的能量利用效率。血液壓力對(duì)隔膜層合殼變形有著直接的影響。血液壓力越大，隔膜層合殼變形越大。在舒張期，當(dāng)血液壓力從6kPa增加到10kPa時(shí)，隔膜層合殼向外擴(kuò)張的位移明顯增大，血泵內(nèi)部容積相應(yīng)增加，有利于血液的吸入。在收縮期，血液壓力與電場(chǎng)擠壓力共同作用，較大的血液壓力會(huì)使隔膜層合殼在電場(chǎng)擠壓力下的變形更加復(fù)雜。若血液壓力過高，可能導(dǎo)致隔膜層合殼在收縮期無法完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，影響血泵的下一次泵血循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致流量脈動(dòng)增大。流量脈動(dòng)過大可能會(huì)引起血管內(nèi)的壓力波動(dòng)，對(duì)血管壁造成額外的沖擊，長(zhǎng)期作用可能導(dǎo)致血管損傷和心血管疾病的發(fā)生。電場(chǎng)擠壓力對(duì)隔膜層合殼變形的影響也較為顯著。在較低電壓下，電場(chǎng)擠壓力較小，隔膜層合殼變形不明顯。當(dāng)電壓升高，電場(chǎng)擠壓力達(dá)到較大的值時(shí)，血泵容積才會(huì)明顯增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從5\times10^{6}V/m增加到10\times10^{6}V/m時(shí)，電場(chǎng)擠壓力增大，隔膜層合殼的收縮變形加劇，血泵容積減小，從而實(shí)現(xiàn)血液的有效泵出。然而，過高的電場(chǎng)強(qiáng)度可能會(huì)引發(fā)介電彈性體的電擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致血泵失效。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要合理選擇電場(chǎng)強(qiáng)度，在保證血泵正常工作的前提下，提高血泵的泵血效率。介電彈性體層厚度對(duì)隔膜層合殼變形有反向影響。介電彈性體層厚度越大，隔膜層合殼變形越小。當(dāng)介電彈性體層厚度從0.5mm增加到1mm時(shí)，隔膜在相同載荷作用下的變形量明顯減小。這是因?yàn)檩^厚的介電彈性體層具有更高的剛度，能夠更好地抵抗外力的作用。介電彈性體層厚度過大，會(huì)增加血泵的重量和體積，同時(shí)也會(huì)增加材料成本，不利于血泵的小型化和臨床應(yīng)用。柔性電極的剛度對(duì)隔膜層合殼變形的影響與剛度大小有關(guān)。當(dāng)柔性電極的剛度較小時(shí)，對(duì)隔膜層合殼的變形幾乎沒有影響；當(dāng)柔性電極的剛度增大時(shí)，隔膜層合殼的變形會(huì)受到顯著影響，血泵容積相應(yīng)減小。當(dāng)柔性電極的彈性模量從5MPa增加到20MPa時(shí)，隔膜層合殼的變形明顯減小，血泵容積也隨之降低。這是因?yàn)閯偠容^大的柔性電極會(huì)對(duì)介電彈性體的變形產(chǎn)生約束作用，限制了隔膜層合殼的變形能力。在設(shè)計(jì)血泵時(shí)，需要綜合考慮柔性電極的剛度，在保證電極導(dǎo)電性和柔性的前提下，盡量減小其對(duì)隔膜層合殼變形的不利影響。隔膜層合殼的變形結(jié)果對(duì)血泵性能有著多方面的影響。在流量脈動(dòng)方面，不合理的變形會(huì)導(dǎo)致血泵的每搏輸出量不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生較大的流量脈動(dòng)。如前文所述，血液壓力過高或隔膜層合殼在收縮期恢復(fù)不完全，都會(huì)使流量脈動(dòng)增大。流量脈動(dòng)過大會(huì)對(duì)血管和心臟造成額外的負(fù)擔(dān)，影響患者的健康。在能量消耗方面，若隔膜層合殼的變形需要克服較大的阻力，如預(yù)拉伸應(yīng)變過大導(dǎo)致材料硬化或柔性電極剛度較大限制變形，血泵就需要消耗更多的能量來實(shí)現(xiàn)泵血功能，降低了血泵的能量利用效率。而優(yōu)化隔膜層合殼的變形，使其在合理的范圍內(nèi)，能夠有效減少流量脈動(dòng)，提高血泵的能量利用效率，從而提升血泵的整體性能。五、影響隔膜層合殼大變形的因素分析5.1預(yù)拉伸應(yīng)變的影響為深入探究預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)隔膜層合殼大變形的影響，通過數(shù)值模擬設(shè)定了不同的預(yù)拉伸應(yīng)變值，分別為0.1、0.2、0.3、0.4，在其他條件保持不變的情況下，分析隔膜層合殼在這些預(yù)拉伸應(yīng)變下的變形情況。從模擬結(jié)果可知，預(yù)拉伸應(yīng)變與隔膜層合殼變形之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著預(yù)拉伸應(yīng)變從0.1增大到0.4，隔膜層合殼在相同載荷作用下的最大位移顯著減小。當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?.1時(shí)，隔膜層合殼在電場(chǎng)擠壓力和血液壓力共同作用下的最大位移達(dá)到6mm；而當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)龃蟮?.4時(shí)，最大位移減小至2mm。這是因?yàn)轭A(yù)拉伸應(yīng)變促使介電彈性體分子鏈取向，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使材料剛度增加。分子鏈取向使得材料在受力時(shí)能夠更好地抵抗變形，就像拉伸后的彈簧，其彈性勢(shì)能增加，抵抗外力的能力增強(qiáng)。這種剛度的增加直接導(dǎo)致隔膜層合殼在受到相同外力作用時(shí)，變形程度減小。預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)血泵容積效率有著重要影響。血泵容積效率是衡量血泵性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了血泵在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際輸出的血液體積與理論輸出體積的比值。當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變過大時(shí)，材料會(huì)發(fā)生硬化現(xiàn)象。在材料科學(xué)中，硬化是指材料在受力過程中，隨著變形的增加，其強(qiáng)度和硬度逐漸提高，而塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象。對(duì)于介電彈性體來說，過大的預(yù)拉伸應(yīng)變會(huì)使分子鏈過度取向，分子間的相互作用力增強(qiáng)，材料變得更加剛性，難以發(fā)生較大的變形。這會(huì)導(dǎo)致血泵在工作過程中，隔膜層合殼的變形能力受限，血泵達(dá)到相同射血壓力所需的容積明顯增大。當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變達(dá)到0.45時(shí)，血泵在相同射血壓力下的容積比預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)增加了30%。這意味著血泵需要消耗更多的能量來實(shí)現(xiàn)相同的泵血功能，因?yàn)檠眯枰朔蟮淖枇硗苿?dòng)血液流動(dòng)，從而導(dǎo)致血泵容積效率降低。通過對(duì)不同預(yù)拉伸應(yīng)變下隔膜層合殼變形和血泵容積效率的分析，確定了最佳預(yù)拉伸范圍。在本研究的模型和條件下，預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)?.2-0.3之間時(shí)，能夠在保證隔膜層合殼具有一定變形能力的，有效控制血泵的容積效率，使血泵性能達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。在這個(gè)預(yù)拉伸范圍內(nèi)，隔膜層合殼能夠在血液壓力和電場(chǎng)擠壓力的作用下，實(shí)現(xiàn)較為理想的變形，從而保證血泵的正常泵血功能。預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)谶@個(gè)范圍內(nèi)，材料的硬化程度較小，血泵容積效率的降低也在可接受范圍內(nèi)，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。5.2血液壓力的影響血液壓力作為血泵工作過程中的關(guān)鍵載荷，對(duì)隔膜層合殼的變形有著顯著的影響。為深入探究其影響規(guī)律，同樣通過數(shù)值模擬設(shè)定不同的血液壓力值，分別為8kPa、10kPa、12kPa、14kPa，在其他條件保持不變的情況下，分析隔膜層合殼在這些血液壓力下的變形情況。從模擬結(jié)果可知，血液壓力與隔膜層合殼變形呈正相關(guān)關(guān)系。隨著血液壓力從8kPa增大到14kPa，隔膜層合殼在相同電場(chǎng)擠壓力和預(yù)拉伸應(yīng)變作用下的最大位移顯著增大。當(dāng)血液壓力為8kPa時(shí)，隔膜層合殼在電場(chǎng)擠壓力和預(yù)拉伸應(yīng)變共同作用下的最大位移為4mm；而當(dāng)血液壓力增大到14kPa時(shí)，最大位移增大至6mm。這是因?yàn)檠簤毫χ苯幼饔糜诟裟雍蠚ぃ谴偈蛊渥冃蔚闹饕?qū)動(dòng)力之一。在舒張期，血液壓力使隔膜層合殼向外擴(kuò)張，血液壓力越大，隔膜層合殼所受到的向外的推力就越大，從而導(dǎo)致其變形增大，血泵內(nèi)部容積相應(yīng)增加，有利于血液的吸入。在收縮期，血液壓力與電場(chǎng)擠壓力共同作用，較大的血液壓力會(huì)改變隔膜層合殼在電場(chǎng)擠壓力下的受力平衡，使其變形更加復(fù)雜。血液壓力對(duì)血泵的性能有著多方面的影響。血液壓力過高或過低都會(huì)對(duì)血泵的正常工作產(chǎn)生不利影響。當(dāng)血液壓力過高時(shí)，隔膜層合殼在收縮期需要承受更大的壓力，這可能導(dǎo)致隔膜層合殼在收縮期無法完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，影響血泵的下一次泵血循環(huán)。隔膜層合殼在收縮期殘留的變形會(huì)使血泵內(nèi)部容積不能完全恢復(fù)到最小，導(dǎo)致下一次舒張期血液吸入量減少，進(jìn)而使血泵的每搏輸出量不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大的流量脈動(dòng)。流量脈動(dòng)過大會(huì)對(duì)血管和心臟造成額外的負(fù)擔(dān)，長(zhǎng)期作用可能導(dǎo)致血管損傷和心血管疾病的發(fā)生。在高血壓患者中，過高的血液壓力會(huì)使心臟負(fù)擔(dān)加重，容易引發(fā)心力衰竭等疾病。對(duì)于介電彈性體心臟血泵來說，過高的血液壓力同樣會(huì)對(duì)血泵的性能和患者的健康產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)血液壓力過低時(shí)，隔膜層合殼在舒張期所受到的向外的推力不足，導(dǎo)致其變形較小，血泵內(nèi)部容積增加有限，血液吸入量減少，從而降低血泵的泵血效率。這可能無法滿足患者的生理需求，影響患者的身體健康。在低血壓患者中，由于血壓過低，心臟輸出的血液量不足，會(huì)導(dǎo)致全身器官供血不足，出現(xiàn)頭暈、乏力等癥狀。對(duì)于介電彈性體心臟血泵來說，過低的血液壓力也會(huì)使血泵無法正常工作，無法為患者提供足夠的血液供應(yīng)。為了應(yīng)對(duì)血液壓力變化對(duì)血泵工作的影響，可以采取多種策略?？梢酝ㄟ^智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血液壓力的變化，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整施加在介電彈性體上的電場(chǎng)強(qiáng)度，以平衡血液壓力的變化，保證隔膜層合殼的正常變形和血泵的穩(wěn)定工作。當(dāng)監(jiān)測(cè)到血液壓力升高時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)增加電場(chǎng)強(qiáng)度，增大電場(chǎng)擠壓力，使隔膜層合殼在收縮期能夠更好地克服血液壓力，恢復(fù)到初始狀態(tài)，減少流量脈動(dòng)；當(dāng)血液壓力降低時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)降低電場(chǎng)強(qiáng)度，減小電場(chǎng)擠壓力，使隔膜層合殼在舒張期能夠更好地?cái)U(kuò)張，增加血液吸入量，提高血泵的泵血效率。還可以通過優(yōu)化血泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)隔膜層合殼的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以提高其承受血液壓力變化的能力。采用高強(qiáng)度的介電彈性體材料或改進(jìn)隔膜層合殼的結(jié)構(gòu)形式，如增加加強(qiáng)筋等，都可以有效提高隔膜層合殼的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。加強(qiáng)筋可以增加隔膜層合殼的剛度，使其在承受血液壓力時(shí)不易發(fā)生過度變形，從而保證血泵的正常工作。合理設(shè)計(jì)血泵的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)，減小血液流動(dòng)的阻力，也有助于降低血液壓力對(duì)血泵工作的影響。5.3電場(chǎng)擠壓力的影響電場(chǎng)擠壓力在介電彈性體心臟血泵的工作過程中扮演著關(guān)鍵角色，其大小與電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)原理，電場(chǎng)擠壓力P_{e}可由公式P_{e}=\frac{\epsilon_{0}\epsilon_{r}E^{2}}{2}確定，其中\(zhòng)epsilon_{0}為真空介電常數(shù)，\epsilon_{r}為介電彈性體的相對(duì)介電常數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。這表明電場(chǎng)擠壓力與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，與介電彈性體的相對(duì)介電常數(shù)成正比。在實(shí)際血泵工作中，通過調(diào)整施加在介電彈性體上的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以有效控制電場(chǎng)擠壓力的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隔膜層合殼變形的調(diào)控。為深入研究電場(chǎng)強(qiáng)度與擠壓力及隔膜層合殼變形的關(guān)系，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在模擬中，保持其他條件不變，逐步增大電場(chǎng)強(qiáng)度，觀察電場(chǎng)擠壓力和隔膜層合殼變形的變化情況。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，如E=3\times10^{6}V/m，計(jì)算得到的電場(chǎng)擠壓力相對(duì)較小，隔膜層合殼的變形也不明顯，血泵容積幾乎沒有變化。這是因?yàn)榇藭r(shí)電場(chǎng)擠壓力不足以克服介電彈性體的初始剛度和其他阻力，無法引起隔膜層合殼的顯著變形。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到E=8\times10^{6}V/m時(shí)，電場(chǎng)擠壓力顯著增大，隔膜層合殼開始發(fā)生明顯變形，血泵容積逐漸減小，實(shí)現(xiàn)了血液的有效泵出。在這個(gè)過程中，電場(chǎng)擠壓力的增大使得介電彈性體在厚度方向收縮，平面方向膨脹，帶動(dòng)隔膜層合殼向內(nèi)收縮，從而減小血泵容積，將血液擠出。通過進(jìn)一步增大電場(chǎng)強(qiáng)度，還可以觀察到隔膜層合殼變形進(jìn)一步加劇，血泵容積繼續(xù)減小，但這種變化并非無限的，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一定值后，會(huì)出現(xiàn)其他問題，影響血泵的正常工作。在高電場(chǎng)下，介電彈性體存在電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。電擊穿是指在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，介電彈性體的絕緣性能被破壞，電流急劇增大，材料發(fā)生不可逆的損壞。這是由于高電場(chǎng)會(huì)使介電彈性體內(nèi)部的電子獲得足夠的能量，掙脫分子的束縛，形成導(dǎo)電通道，從而導(dǎo)致材料的電性能和力學(xué)性能急劇下降。一旦發(fā)生電擊穿，血泵將無法正常工作，甚至可能對(duì)患者造成嚴(yán)重危害。為了評(píng)估電擊穿風(fēng)險(xiǎn)，引入擊穿場(chǎng)強(qiáng)的概念。擊穿場(chǎng)強(qiáng)是指材料發(fā)生電擊穿時(shí)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，不同的介電彈性體材料具有不同的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于常用的硅橡膠介電彈性體，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般在10\times10^{6}V/m-15\times10^{6}V/m之間。在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保工作電場(chǎng)強(qiáng)度低于擊穿場(chǎng)強(qiáng)，以保證血泵的安全運(yùn)行。如果工作電場(chǎng)強(qiáng)度接近或超過擊穿場(chǎng)強(qiáng)，介電彈性體就可能發(fā)生電擊穿，導(dǎo)致血泵失效。為了確定安全工作電場(chǎng)范圍，綜合考慮血泵的性能和電擊穿風(fēng)險(xiǎn)。在保證血泵能夠有效實(shí)現(xiàn)泵血功能的前提下，盡可能降低電場(chǎng)強(qiáng)度，以減小電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。通過大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合不同介電彈性體材料的特性和血泵的工作要求，確定出安全工作電場(chǎng)范圍。對(duì)于采用某型號(hào)硅橡膠介電彈性體的血泵，其安全工作電場(chǎng)范圍一般在6\times10^{6}V/m-9\times10^{6}V/m之間。在這個(gè)電場(chǎng)范圍內(nèi)，血泵能夠正常工作，隔膜層合殼的變形能夠滿足泵血需求，同時(shí)電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)較低。在實(shí)際血泵設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，必須嚴(yán)格控制電場(chǎng)強(qiáng)度在安全工作電場(chǎng)范圍內(nèi)，通過合理的電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)，確保施加在介電彈性體上的電場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定且在安全范圍內(nèi)。還可以采取一些防護(hù)措施，如增加介電彈性體的厚度、采用多層絕緣結(jié)構(gòu)等，進(jìn)一步提高血泵的安全性，降低電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。5.4介電彈性體層厚度的影響介電彈性體層厚度是影響隔膜層合殼大變形及血泵性能的重要因素之一。通過數(shù)值模擬設(shè)置不同的介電彈性體層厚度，分別為0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm，在其他條件保持不變的情況下，深入分析其對(duì)隔膜層合殼變形的影響。模擬結(jié)果表明，介電彈性體層厚度與隔膜層合殼變形之間存在顯著的反向關(guān)系。隨著介電彈性體層厚度從0.3mm增大到0.9mm，隔膜層合殼在相同載荷作用下的最大位移明顯減小。當(dāng)介電彈性體層厚度為0.3mm時(shí)，隔膜層合殼在電場(chǎng)擠壓力和血液壓力共同作用下的最大位移可達(dá)6mm；而當(dāng)介電彈性體層厚度增大到0.9mm時(shí)，最大位移減小至3mm。這是因?yàn)榻殡姀椥泽w層厚度的增加，使其剛度增大。從材料力學(xué)的角度來看，剛度是指材料抵抗變形的能力，與材料的幾何尺寸和彈性模量有關(guān)。對(duì)于介電彈性體層，厚度增加相當(dāng)于增加了材料的幾何尺寸，從而提高了其剛度。當(dāng)受到相同的外力作用時(shí)，剛度較大的介電彈性體層能夠更好地抵抗變形，使得隔膜層合殼的變形減小。介電彈性體層厚度對(duì)血泵的性能有著多方面的影響。較厚的介電彈性體層雖然能夠使隔膜層合殼的變形減小，提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但也會(huì)帶來一些負(fù)面影響。它會(huì)增加血泵的重量和體積。血泵作為一種植入式醫(yī)療設(shè)備，對(duì)其重量和體積有著嚴(yán)格的要求。過重或過大的血泵會(huì)給患者帶來不適，影響患者的生活質(zhì)量，甚至可能對(duì)患者的身體造成額外的負(fù)擔(dān)。介電彈性體層厚度增加還會(huì)導(dǎo)致材料成本上升。在實(shí)際生產(chǎn)中，材料成本是一個(gè)重要的考慮因素。如果介電彈性體層厚度過大，會(huì)增加血泵的制造成本，從而限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。較薄的介電彈性體層雖然可以減輕血泵的重量和體積，降低材料成本，但也可能存在一些問題。它可能導(dǎo)致隔膜層合殼的強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足。在血泵工作過程中，隔膜層合殼需要承受反復(fù)的機(jī)械應(yīng)力和電場(chǎng)作用，如果介電彈性體層過薄，可能無法承受這些載荷，從而導(dǎo)致隔膜層合殼出現(xiàn)破裂、疲勞等失效現(xiàn)象，影響血泵的正常工作。較薄的介電彈性體層可能會(huì)使血泵的電性能受到影響。介電彈性體的電性能與其厚度有關(guān)，過薄的介電彈性體層可能會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻，從而影響血泵的泵血效率。為了確定合適的介電彈性體層厚度，需要綜合考慮血泵的性能和成本等因素。在保證血泵性能的前提下，盡量減小介電彈性體層厚度，以降低血泵的重量、體積和成本。通過大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合血泵的實(shí)際工作要求，確定出合適的介電彈性體層厚度范圍。對(duì)于本研究中的介電彈性體心臟血泵，介電彈性體層厚度在0.5mm-0.7mm之間時(shí)，能夠在保證隔膜層合殼具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的，有效控制血泵的重量、體積和成本，使血泵性能達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。在這個(gè)厚度范圍內(nèi)，隔膜層合殼能夠在血液壓力和電場(chǎng)擠壓力的作用下，實(shí)現(xiàn)較為理想的變形，保證血泵的正常泵血功能，同時(shí)也能滿足臨床應(yīng)用對(duì)血泵重量、體積和成本的要求。5.5柔性電極剛度的影響柔性電極作為隔膜層合殼的重要組成部分，其剛度對(duì)隔膜層合殼的變形有著不可忽視的影響。通過數(shù)值模擬設(shè)置不同的柔性電極剛度，以彈性模量為指標(biāo)，分別設(shè)置為3MPa、6MPa、9MPa、12MPa，在其他條件保持不變的情況下，深入分析其對(duì)隔膜層合殼變形的影響。當(dāng)柔性電極的剛度較小時(shí)，如彈性模量為3MPa，對(duì)隔膜層合殼的變形幾乎沒有影響。這是因?yàn)榈蛣偠鹊娜嵝噪姌O在介電彈性體變形時(shí)，能夠跟隨其變形而不產(chǎn)生明顯的約束作用。此時(shí)，隔膜層合殼的變形主要由介電彈性體的特性以及所受的血液壓力和電場(chǎng)擠壓力決定，柔性電極的剛度對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。在這種情況下，血泵容積的變化與柔性電極剛度的關(guān)系不大，血泵能夠按照正常的工作模式進(jìn)行血液的吸入和排出。隨著柔性電極剛度的增大，如彈性模量增加到12MPa時(shí)，隔膜層合殼的變形會(huì)受到顯著影響。剛度較大的柔性電極在介電彈性體變形過程中，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較強(qiáng)的約束作用。這種約束作用限制了介電彈性體的自由變形，使得隔膜層合殼在受到血液壓力和電場(chǎng)擠壓力時(shí)，變形程度減小。在收縮期，電場(chǎng)擠壓力作用下介電彈性體的變形受到柔性電極的阻礙，導(dǎo)致隔膜層合殼向內(nèi)收縮的程度減小，血泵容積相應(yīng)減小。這會(huì)影響血泵的泵血效率，因?yàn)檩^小的血泵容積意味著每次泵出的血液量減少，可能無法滿足患者的生理需求。柔性電極剛度對(duì)血泵的可靠性和耐久性也有著重要影響。合適的柔性電極剛度能夠保證電極在血泵工作過程中與介電彈性體緊密貼合，維持良好的導(dǎo)電性，確保電場(chǎng)能夠均勻地作用于介電彈性體，從而保證血泵的正常工作。如果柔性電極剛度不合適，在血泵長(zhǎng)期工作過程中，由于隔膜層合殼的反復(fù)變形，電極與介電彈性體之間可能會(huì)出現(xiàn)分離、磨損等問題，影響電極的導(dǎo)電性和血泵的性能。柔性電極剛度太大，在隔膜層合殼變形時(shí)，電極與介電彈性體之間的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致電極脫落或介電彈性體損壞；柔性電極剛度太小，電極在長(zhǎng)期的變形過程中可能會(huì)發(fā)生褶皺、斷裂等情況，同樣會(huì)影響血泵的可靠性和耐久性。為了確定合適的柔性電極剛度，需要綜合考慮血泵的性能和工作要求。在保證柔性電極能夠滿足導(dǎo)電性和柔性要求的前提下，盡量減小其對(duì)隔膜層合殼變形的不利影響。通過大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合血泵的實(shí)際工作條件，確定出合適的柔性電極剛度范圍。對(duì)于本研究中的介電彈性體心臟血泵，柔性電極的彈性模量在6MPa-9MPa之間時(shí)，能夠在保證電極性能的，有效控制其對(duì)隔膜層合殼變形的影響，使血泵性能達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。在這個(gè)剛度范圍內(nèi)，柔性電極能夠與介電彈性體較好地協(xié)同工作，既保證了電場(chǎng)的有效施加，又不會(huì)過度限制隔膜層合殼的變形，從而提高血泵的可靠性和耐久性。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果對(duì)比6.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施為了驗(yàn)證前文理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)并實(shí)施了介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用與數(shù)值模擬相同結(jié)構(gòu)和材料的介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼，中間層選用某型號(hào)硅橡膠介電彈性體，兩側(cè)為柔性導(dǎo)電聚合物電極，以確保實(shí)驗(yàn)與理論研究的一致性和可比性。按照嚴(yán)格的工藝要求制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用模壓成型的方法制備介電彈性體層，控制其厚度精度在±0.05mm范圍內(nèi)，保證厚度均勻性。在介電彈性體層的兩側(cè)，通過涂覆工藝均勻地涂覆柔性電極材料，確保電極與介電彈性體之間具有良好的貼合性和導(dǎo)電性。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括高精度激光位移傳感器、壓力傳感器、直流高壓電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。高精度激光位移傳感器用于測(cè)量隔膜層合殼在不同工況下的變形位移，其測(cè)量精度可達(dá)±0.01mm，能夠滿足對(duì)隔膜層合殼微小變形測(cè)量的要求。壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血液壓力和電場(chǎng)擠壓力，其測(cè)量精度為±0.1kPa，能夠準(zhǔn)確測(cè)量血泵工作過程中的壓力變化。直流高壓電源用于提供不同強(qiáng)度的電場(chǎng)，輸出電壓范圍為0-20kV，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的需求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于同步采集激光位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz，確保能夠準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置不同的工況條件，分別模擬不同的預(yù)拉伸應(yīng)變、血液壓力和電場(chǎng)擠壓力。對(duì)于預(yù)拉伸應(yīng)變，設(shè)置0.1、0.2、0.3三種工況，通過在實(shí)驗(yàn)裝置中對(duì)隔膜層合殼施加不同的初始拉伸力來實(shí)現(xiàn)。在血液壓力方面，設(shè)置8kPa、10kPa、12kPa三種工況，通過調(diào)節(jié)壓力泵向血泵模型內(nèi)注入不同壓力的模擬血液來實(shí)現(xiàn)。電場(chǎng)擠壓力則通過改變直流高壓電源的輸出電壓來調(diào)節(jié)，設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度分別為5\times10^{6}V/m、8\times10^{6}V/m、10\times10^{6}V/m三種工況，根據(jù)公式P_{e}=\frac{\epsilon_{0}\epsilon_{r}E^{2}}{2}計(jì)算得到相應(yīng)的電場(chǎng)擠壓力。在每個(gè)工況下，按照嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作。首先，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在實(shí)驗(yàn)裝置中，確保安裝牢固且位置準(zhǔn)確。然后，通過壓力泵向血泵模型內(nèi)注入模擬血液，調(diào)節(jié)壓力至設(shè)定的血液壓力值。接著，開啟直流高壓電源，施加設(shè)定的電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄激光位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，避免外界干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。每個(gè)工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，取平均值作為該工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，得到隔膜層合殼在實(shí)際工況下的變形情況。在預(yù)拉伸應(yīng)變0.2、血液壓力10kPa、電場(chǎng)強(qiáng)度8\times10^{6}V/m的工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得隔膜層合殼的最大位移為4.8mm。這表明在該工況下，隔膜層合殼能夠產(chǎn)生一定程度的變形，以實(shí)現(xiàn)血泵的正常泵血功能。通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到不同工況下隔膜層合殼變形的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)隔膜層合殼變形的影響方面，理論分析和數(shù)值模擬均表明預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)酱?，隔膜層合殼變形越小。?shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變從0.1增加到0.3時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的隔膜層合殼最大位移從5.5mm減小到3.5mm，與理論和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。這說明理論分析和數(shù)值模擬所采用的模型和方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)隔膜層合殼變形的影響。在血液壓力對(duì)隔膜層合殼變形的影響方面，理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明血液壓力越大，隔膜層合殼變形越大。當(dāng)血液壓力從8kPa增加到12kPa時(shí)，數(shù)值模擬得到的隔膜層合殼最大位移從4.2mm增大到5.8mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大位移從4.0mm增大到5.5mm。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在具體數(shù)值上存在一定差異，但變化趨勢(shì)相同。這種差異可能是由于實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)量誤差、材料性能的不均勻性以及模型簡(jiǎn)化等因素導(dǎo)致的。在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量?jī)x器的精度有限，可能會(huì)引入一定的測(cè)量誤差；材料在實(shí)際制備過程中，其性能可能存在一定的不均勻性，與理論模型中假設(shè)的均勻材料存在差異；理論模型在建立過程中，為了簡(jiǎn)化分析，可能對(duì)一些復(fù)雜因素進(jìn)行了忽略，這些都可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的偏差。對(duì)于電場(chǎng)擠壓力對(duì)隔膜層合殼變形的影響，理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也具有一致性。在較低電場(chǎng)強(qiáng)度下，隔膜層合殼變形不明顯；隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，變形逐漸增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從5\times10^{6}V/m增加到10\times10^{6}V/m時(shí)，理論分析和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的血泵容積變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，都表現(xiàn)為血泵容積逐漸減小。這進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬在研究電場(chǎng)擠壓力對(duì)隔膜層合殼變形影響方面的有效性?？傮w而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致，驗(yàn)證了理論模型和數(shù)值模擬方法的正確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和數(shù)值模擬結(jié)果之間存在的一定差異，也為進(jìn)一步改進(jìn)和完善理論模型提供了方向。在后續(xù)研究中，可以考慮更加精確的材料性能參數(shù)，采用更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)減少實(shí)驗(yàn)誤差，以及對(duì)模型進(jìn)行更細(xì)致的修正，以提高理論分析和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，使其能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼在實(shí)際工況下的大變形行為。6.3理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析、數(shù)值模擬結(jié)果的詳細(xì)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三者在變形趨勢(shì)上具有高度一致性，這充分驗(yàn)證了理論模型和數(shù)值模擬方法在分析介電彈性體心臟血泵隔膜層合殼大變形問題上的有效性。然而，在具體數(shù)值方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和數(shù)值模擬結(jié)果之間仍存在一定差異。在預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)隔膜層合殼變形影響的對(duì)比中，理論和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的變形量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值存在一定偏差。理論分析和數(shù)值模擬中，當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變從0.1增加到0.3時(shí)，隔膜層合殼最大位移分別從5.8mm和5.6mm減小到2.2mm和2.4mm；而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大位移從5.5mm減小到3.5mm。這種差異可能源于多個(gè)方面。在理論模型建立過程中，為簡(jiǎn)化分析，往往對(duì)材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行一定程度的理想化假設(shè)，忽略了材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及材料性能在不同應(yīng)變狀態(tài)下的細(xì)微變化。介電彈性體的超彈性本構(gòu)模型雖然能夠描述其宏觀的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但實(shí)際材料在微觀層面上，分子鏈的取向、纏結(jié)以及分子間相互作用等因素會(huì)對(duì)