基于PRO/E与ADAMS的锥形螺旋叶轮血泵虚拟样机建模及动态仿真

　　0 前言

　　心脏功能衰竭引起的心脏病对人类的生命安全构成了严重威胁[1]，因此人工心脏和机械性人工心脏辅助装置的研究越来越引起国内外医务工作者和各科研院所的关注[2]。在人工心脏近半个世纪的研制过程中，血泵的材质、结构、制造工艺、功能和使用寿命均有显著改进，所产生的血流也更接近生理心脏。然而人工血泵由于复杂的叶轮装置需要经过精密铸造或粉末冶金加工，因此模具的制造费用很高;为了防止溶血，又必须采用生物相容性很好的钛合金材料及特殊的表面改性处理工艺，使得物理样机的加工制造成本相当昂贵;血泵的动物实验及活体实验费用高得更是惊人[3]。随着计算机技术的飞速发展，三维实体造型技术和虚拟样机(Virtual Prototype)技术[4，5]能够在物理样机制造之前，对样机进行结构设计、仿真、分析和优化，能够缩短研制周期和加工成本，因而获得了广泛的应用。

　　本文运用 Pro/E 软件在血泵的物理样机建造前精确地建立锥形螺旋叶轮血泵各个零部件的三维实体图和机构装配图，而后转化到虚拟样机分析软件 ADAMS中添加复杂的约束和力,形成血泵的虚拟样机，最后对血泵虚拟样机进行全面的运动学和动力学仿真和分析，从而检验所设计血泵的性能是否满足要求。这样既减免了昂贵成本的血泵物理样机制造研发过程，降低了开发成本,缩短了血泵开发周期，又节省了因物理样机制造装配所需要的长期修正时间,同时可以在仿真过程中不断改进血泵设计参数，从而减少了不合理的血泵设计在后期物理实验中造成的损失。

　　1 利用 Pro/E 和 ADAMS 软件对血泵联合仿真的步骤

　　利用 Pro/E 软件和 ADAMS 软件建立人工血泵系统联合仿真模型，基本步骤如图 1 所示。

　　首先，利用 Pro/E 建立血泵的三维实体模型，进行血泵样机的模型装配;然后将图形数据导入 ADAMS中。为避免 Pro/E 和 ADAMS两个不同公司的商用软件在进行图形数据传递过程中数据丢失[6]，在导入ADAMS过程中要用到专用接口模块 MECH/Pro[7]，它可以根据血泵运动关系将其装配总成生成刚体，并添加一些简单约束和标记等;其次，将定义好的刚体传递到ADAMS/View环境下，再添加复杂的约束和力等，来进一步完善模型;通过 ADAMS 高效的求解器 ADAMS/Solver 模块自动建立血泵虚拟样机系统的动力学方程，对血泵虚拟样机系统进行全面的静力学、运动学和动力学仿真分析，输出血泵转子的位移、速度、加速度和转子的轴向、径向悬浮力;最后，通过调用后处理模块ADAMS/PostProcessor 来处理血泵虚拟样机系统的仿真结果数据。深入分析检验血泵虚拟样机的合理性并加以结构优化设计，最终得到满足要求的人工血泵模型。