НИИ механики МГУ, Москва
Графическая аннотация – рисунок, привязанный к каждому докладу на сайте конференции, - важный визуальный элемент, разъясняющий в научно-популярном стиле суть научной работы участника конференции. Из быстрого просмотра графической аннотации на сайте конференции каждый участник нашей конференции, не специализирующийся в данной области механики, должен получить общее представление о содержании доклада. Графическая аннотация должна по возможности ответить по крайней мере на один из следующих вопросов:
- В чем заключается суть предлагаемого метода исследования некоторой научной проблемы? В чем состоит актуальность и научная новизна?
- Какова область практического приложения результатов исследований? Какая выгода от использования результатов исследований?
Если не удается подготовить графическую аннотацию, отвечающую на эти вопросы, то в качестве графической аннотации можно использовать цветной рисунок, иллюстрирующий
- результаты расчётов, излагаемых в докладе;
- постановку эксперимента;
- схему исследуемого физического явления;
- другой иллюстративный материал, который будет излагаться в докладе.
Графическая аннотация должна быть рисунком в формате JPEG или PNG, размер которого не превышает 0.5 Мб.
С графическими аннотациями конференций 2017 и 2018 годов можно ознакомиться на сайте нашей конференции.
Оргкомитет
НИИ механики МГУ, Москва
Каждому участнику конференции предоставляется возможность сделать не более одного устного доклада и 1-2 стендовых доклада. На устном докладе участник представляет основное содержание своей работы. Ожидается, что изложение устного доклада даётся в научно-популярном стиле, понятном для широкой аудитории. На стендовых докладах, дополняющих устный доклад, участник делает сообщение о частных узкоспециализированных проблемах и результатах. Продолжительность устных докладов будет определяться исходя из числа участников (но не более 20 минут). Участнику необходимо направить в адрес Оргкомитета отдельную аннотацию для каждого доклада (и устного, и стендовых).
Оргкомитет
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Из-за значительной лучевой нагрузки, создаваемой аппаратами для проведения томографии структуры костей, наблюдение динамики изменения ориентации костных трабекул представляется невозможным. Следовательно, для исследования таковых изменений, объединённых общим названием «перестройка кости», широко применяются методы компьютерного анализа. В данной работе проведено сравнение результатов двух моделей перестройки, реализованных авторами в программных продуктах ANSYS и MATLAB. Преимущество такого анализа состоит в том, что полученные результаты расчета можно оценить не только качественно, сравнивая со внутренней структурой, реализуемой в кости человека, но и количественно, сравнивая значения параметров, характерных для выбранной модели, таких как тензор структуры и доля твердого объема. В данной работе считается, что материал кости описывается в рамках линейной теории упругости анизотропного тела, деформационное поведение которого зависит от параметров, описывающих структуру кости в каждый дискретный момент времени. Сравнение моделей проводится для различных случаев нагружения.
Практическая значимость работы заключается в создании модели перестройки кости, способной воспроизвести процесс изменения внутренней структуры под влиянием нагрузки, создаваемой врачом при различных медицинских вмешательствах. В работе описан пример такого вмешательства, заключающегося в перемещении зуба нижней челюсти.
Татьяна Николаевна Чикова
Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow 2Plekhanov Russian University of Economics, Moscow
Development of biodegradable polymeric materials, resulting from addition of the natural filler of renewable raw materials to the synthetical cavity is one of the prospective approaches to solving the environmental problem of plastic packing and agricultural film’s waste treatment. The composite materials’ properties based on popular low density polyethylene (LDPE) film material production laced with raw natural rubber, which is quite quickly exposed to oxydative and biological degradation, are examined in the present work. The polymers were compounded in blending machine of Brabender type at temperature of 1400С, then they were pressed at 1400С with further quick chilling to temperature of 20±20С. The thickness of film samples was 140±10 mcm. The results of NR effect on composites’ properties determination are provided in the Table below.
|
Sample of PE/NR
|
Ɛb, %
|
σ, MPa
|
Еmod, MPa
|
ΔM0, %
|
ΔM1, %
|
ΔM2, %
|
|
100
|
613
|
15.1
|
87
|
0
|
0
|
0.3
|
|
90/10
|
120
|
6.3
|
62
|
2
|
0.5
|
0.4
|
|
80/20
|
260
|
6.5
|
54
|
3
|
1.2
|
0.7
|
|
70/30
|
330
|
6.4
|
46
|
6
|
1.3
|
2.7
|
|
60/40
|
330
|
4.8
|
38
|
10
|
3.2
|
30.5
|
|
50/50
|
330
|
3.9
|
29
|
12
|
7.3
|
42.0
|
|
Note: Ɛр – elongation at break (at 100 mm/min.) % (± 10 %), σ – tensile stress at break, MPa (± 0.5 MPa), Еmod – elasticity modulus, MPa (± 5 MPa), ΔM0 – equilibrium water absorption %, ΔM1 – field weight loss in soil for 15 months., weight %, ΔM2 – laboratory weight loss in soil for 17 months., weight %.
|
Despite of mechanic indexes decrease, the PE/NR compositions comply with requirements, provided for household and agricultural products. The samples highest weight loss, as well as deterioration degree after their holding in soil is observed for mixtures with NR 40 and 50 weight %. These same mixtures are defined by the largest indexes of water absorption, which contributes to microorganisms’ growth and development. The results have testified that polyethylene with natural rubber composites have higher biodegradability factor in ambient conditions as compared to alone polyethylene.
Иветта Арамовна Варьян
ИБХФ им. Н.М. Эмануэля РАН / РЭУ им. Г.В. Плеханова
В настоящее время большой научный и практический интерес представляет разработка и исследование нетканых волокнистых материалов медицинского назначения на основе биополимеров. Одним из наиболее перспективных методов получения материалов с высоко развитой поверхностью является электроформование. Актуальным научным направлением является исследование влияния газообразного озона на материалы и изделия медицинского назначения, в виду того, что метод озонирования является одним из эффективных способов стерилизации. Целью данной работы было рассмотрение особенностей структуры ультратонких волокон на основе поли-3-гидроксибутирата (ПГБ), которые формируют слой нетканого материала, и установление закономерностей влияния озона на физико-механические и теплофизические свойства полученных материалов.
В результате серии экспериментов было установлено, что под влиянием озона разрывная нагрузка нетканых волокнистых материалов на основе ПГБ может быть увеличена не менее, чем в 2 раза. Более того, заметно увеличиваются модуль упругости, относительная деформация и макси-мальное удлинение материала до момента разрыва. В работе высказаны предположения о причи-нах изменений прочностных свойств материалов, а также рассмотрен механизм протекания хими-ческой реакции между газообразным озоном и макромолекулами ПГБ, образующими структуру материала (Рис. 1). На начальной стадии озонирования происходит разрыв макромолекул, появля-ется возможность для их более регулярной укладки в аморфной фазе, что подтверждается ростом энтальпии плавления озонированных образцов.
Полученные данные подтверждают эффективность применения метода озонирования для стери-лизации нетканых материалов на основе ПГБ для медицинских изделий.
Полина Михайловна Тюбаева
ИПМ им. М.В. Келдыша РАН.
Данное исследование посвящено внедрению экзоскелетов в промышленность. Целью является создание комплекса программных и аппаратных средств для распознавания движений человека, необходимого для проведения экспериментов, направленных на достижения двух основных задач. Во-первых, показать энергоэффективность экзоскелетов для людей, которые используют экзоскелеты в обычных производственных задачах. Во-вторых, создать уникальную интеллектуальную систему управления для автоматической помощи оператору полупассивного экзоскелета, и предоставить рекомендации по ведению рабочих процессов. Проделанная работа заключается в разработке программного комплекса, с алгоритмами сбора и хранения данных, реконструкции траектории движения человека, системы визуализации данных и оптимизации модели человека. Полученная система позволяет быстро и точно собирать данные в производственных условиях для подсчета энергоэффективности экзоскелетов. Данный программный комплекс позволит собрать достаточно данных для применения методов машинного обучения в системе управления экзоскелетом.
Рассматривается упрощённая модель тела человека, состоящая из десяти звеньев, по два на каждую конечность и два звена на спину. Каждое звено неотрывно прикреплено к предыдущему сферическим шарниром. Ориентация каждого звена определяется по показаниям IMU-датчиков соответственно надетых на человека. Предполагается, что на человеке надето столько же датчиков, сколько и звеньев в модели, при том в соответствующих местах. На начальном этапе известна примерная точка крепления датчика на теле, а ориентация датчика может быть произвольной. Для ее вычисления проводится двух этапная калибровка. В рамках разработки системы визуализации решаются задачи оптимизации длин звеньев модели человека и задача восстановления траекторий движения частей тела. Затем производится экспериментальная проверка качества откалиброванной модели. По восстановленным траекториям эксперимента решается прямая задача динамики, и оценивается энергия, затрачиваемая человеком при совершении действий в эксперименте.
1. Подопросветов А.В., Анохин Д.А., Орлов И.А., Алисейчик А.П. Разработка системы управления биомеханическим комплексом помощи работникам производственных предприятий // В сборнике: XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики сборник трудов в 4-х томах. 2019. С. 196-198.
Алексей Валерьевич Подопросветов
Белорусский государственный университет
Основным методом лечения доброкачественных опухолей и метастатических поражений трубчатых костей конечностей является хирургическое удаление пораженного участка в пределах неизмененных тканей (секторальная или хирургическая резекция) с образованием костного (секторального) дефекта. В результате хирургической резекции кости прочность костного сегмента, а также функциональные возможности конечности снижаются, поскольку повышается риск патологического перелома в области резекции. В настоящей работе представлены результаты определения главных деформаций на в области пострезекционного дефекта на основании тензометрических испытаний для прогнозирования изменения прочности бедренной кости на основании коэффициента увеличения главных деформаций [1].
В качестве образца использована интактная сухая бедренная кость взрослого человека. Бедренная кость жестко закреплялась в металлическом цилиндрическом сосуде с помощью эпоксидной смолы. Нагружение кости соответствовало действию собственного веса человека. Тензометрические измерения главных деформаций выполнены в ходе нагружения бедренной кости на испытательной машине УМ-5А (максимальная нагрузка 400 Н, скорость нагружения 2 мм/мин, точность измерения ±1%).
В ходе эксперимента получены зависимости главных деформаций, возникающих в интактной (неповрежденной) бедренной кости и бедренной кости с пострезекционными дефектами, имеющими различные угловые размеры.
1. Sternheim A., Giladi O., Gortzak Ya., Drexler M., Salai M., Trabelsi N., Milgrom Ch., Yosibash Z. Pathological fracture risk assessment in patients with femoral metastases using CT-based finite element methods. A retrospec-tive clinical study // Bone. 2018. Vol. 110. P. 215–220.
Марина Александровна Афанасьева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В биомеханике важную роль играет количественная оценка движений человека. Среди методов исследования, одними из основных являются тензометрия и акселерометрия. Современные датчики измерения деформации и ускорения имеют небольшой размер и позволяют достаточно точно отслеживать положение отдельных частей тела во времени. Построение виртуальной модели человека, копирующей движения в реальном времени, является актуальной задачей в ортопедии, биомеханике спорта, игровой индустрии. При помощи анализа полученных данных можно узнать о виде и характере физической активности (ходьба, бег) или ее отсутствия (положение лежа или сидя) у исследуемого человека, оценить правильность выполнения им упражнений во время занятий спортом или лечебной физкультурой, контролировать положение спины во время сна и в положении сидя. Исследование кинематики движений может помочь при лечении и профилактике развития нарушений осанки.
Целью данного исследования является разработка системы мониторинга биомеханических характеристик положения тела человека на основе датчиков измерения ускорения и деформации с использованием платформы Arduino, а также обзор существующих на рынке решений. В работе рассматривается результаты работы системы на нескольких примерах, проводится сравнение с данными, полученными с запатентованных носимых устройств.
В перспективе, результаты данного исследования могут способствовать улучшению конструкции путем интеграции в нее других датчиков и компонент и улучшению программного обеспечения, осуществляющего обработку и вывод полученной информации.
Татьяна Николаевна Чикова
ЦАГИ, МГУ
На рисунке: Вверху – одна из первых исследуемых в работе компоновок разрабатываемого сверхлегкого самолета; в центре – зависимость подъемной силы от скорости взлета/посадки, внизу – зависимость подъемной силы от скорости полета.
Создание сверхлегких пилотируемых летательных аппаратов представляет практический интерес с точки зрения быстрой, безопасной и экономичной транспортировки грузов и человека.
Разрабатываемый сверхлегкий бесфюзеляжный самолет содержит несущую поверхность, стабилизатор, подвесную систему, систему управления и воздушный винт, отличается тем, что дополнительно содержит балку, крепящуюся к крылу и стабилизатору, четное количество расположенных на несущей поверхности электродвигателей с воздушными винтами, стропы, которые связывают несущую поверхность и балку с подвесной системой, на которой также расположен источник энергии, модуль дистанционного управления и электрическая трансмиссия, связывающая источник энергии с электродвигателями.
Уменьшение размеров летательных аппаратов ограничена размерами и весом летчика и превращает самолет по сути в некое подобие летательного костюма (рис. 1 вверху). Подготовлен обзор известных аналогов, показаны преимущества и области применения разрабатываемого летательного аппарата: например, экономичный и доступный личный транспорт, военные приложения, эвакуация, поисково-спасательные работы, перевозка грузов и оборудования широкого спектра назначения. Проектируемый самолет не требует аэродрома, обладает малым весом (40–45 кг), возможностью разборки для перевозки в личном и в общественном транспорте. Винтовая схема обеспечивает экономичность, дальность и продолжительность полета, при этом шум значительно ниже в отличие от реактивных аналогов. Оригинальная аэродинамическая компоновка обеспечивает низкие затраты электроэнергии двигателей при полном отсутствии вредных выбросов в атмосферу. Модификация аппарата для военных приложений обеспечивает высокую скорость, точность и низкую заметность. Статическая устойчивость в горизонтальном полете дает возможность пилоту освободить руки и использовать их для управления другими действиями. На рис. 1 внизу и в центре представлены результаты расчета зависимости подъемной силы летательного аппарата с крыльями различных конфигураций от скорости полета. Видно, что геометрия 10 обеспечивает достаточную подъемную силу при влете и посадке со скоростью 30–35 км/ч, которую можно снизить за счет применения разработанное ранее адаптивное крыло.
Иван Алексеевич Амелюшкин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Недавние работы, посвящённые исследованию рака, говорят о том, что злокачественная опухоль не является просто однородным скоплением раковых клеток, которые претерпевают неконтролируемое деление. Опухоль представляет собой своеобразный организм, который живёт по собственным законам и правилам. В обзорной статье [1], которая является основной в этом смысле, подчёркивается гетерогенный характер опухоли. Внутри злокачественного образования происходит дифференциация клеток по группам, которые выполняют определённые специфические функции. Клетки одного типа могут образовывать такие морфологические структуры, которые помогают опухоли коллективно защищаться от различного рода терапий, а также повышают потенциал к появлению метастазов. При разработке лекарственных препаратов необходимо учитывать, что рак представляет собой сложную самоорганизующуюся систему, которая может адаптироваться к изменению внешних условий и менять свою форму поведения.
Разрабатываемая математическая модель представляет собой набор эластичных многоугольных клеток, обменивающихся хемомеханическими сигналами. Главными элементами модели являются: механизмы деления и интеркаляции клеток; возможность деформации ткани, за счёт механического воздействия; обмен химическим сигналом, осуществляемый между соседними клетками эпителия через общую границу. Также в модели разработана схема дифференциации клеток опухоли в общем социуме [2]. Механизмы деления и интеркаляции клеток, заложенные в модель, позволяют изучать процессы как коллективной миграции, так и миграции одиночными клетками. Всё перечисленное выше даёт возможность описывать развитие опухоли в ткани эпителия.
В работе [3] было исследовано образование опухолевых структур, состоящих из большого числа клеток. Целью представляемой работы является исследование морфологических структур, которые возникают в ходе коллективной инвазии злокачественных клеток карциномы. Сравнение этих структур с данными гистологических исследований, а также классификация структур с помощью Шиарлет–преобразования.
Иван Васильевич Красняков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Результаты численного моделирования структурообразования инвазивной карциномы, полученные в работе [1], были классифицированы в параметрах энтропия-сложность при помощи Shearlet-преобразования. Представленный метод весьма практичный к использованию двумерных изображений [2]. Подход основан на понятии неравновесия и основан на статистике направленных мультимасштабных коэффициентов быстрого конечного Shearlet-преобразования, где используются энтропия Шеннона и меры расхождения Дженсена-Шеннона. Этот алгоритм кажется идеальным для оценки сложности паттернов роста карциномы, полученных в работе [1].
После вычисления нормированной энтропии и сложности структуры основная информация о свойствах рассматриваемой системы может быть получена из её расположения на плоскости энтропия-сложность. В нашем случае сложность ситуации заключается в том, что нам необходимо выявить значительную сложность опухолевой структуры, составленной из отдельных клеток, на фоне структуры самой клеточной структуры. Здоровая ткань также сильно изменена в ходе эволюции, из-за клеточного деления и интеркаляции, и сама является сложной упорядоченной структурой.
На рисунке показаны значения энтропии и сложности, рассчитанные на основе изображений образцов для трех типичных структурных типов роста карциномы, представляющих собирательные формы инвазии раковых клеток. Анализируя данные, представленные на рисунке, мы можем сделать вывод, что сложность криброзной карциномы является самой высокой из всех представленных паттернов. В свою очередь, папиллярная карцинома по своей сложности несколько уступает криброзной. Солидный паттерн следует признать самым простым: он имеет наименьшую сложность.
Методика, представленная в этом разделе, безусловно, может быть полезна при идентификации различных типов инвазивной карциномы как при численном моделировании, так и при первичном гистологическом анализе.
Иван Васильевич Красняков
Институт Гидродинамики им. М.А. Лаврентьева
Артериовенозная церебральная мальформация (АВМ) является патологией развития сосудов головного мозга, при которой артериальное и венозное кровеносные русла соединены клубком беспорядочно переплетенных вырожденных сосудов. Наиболее предпочтительным методом лечения данных патологий является эмболизация - внутрисосудистое заполнение клубка патологических сосудов АВМ специальной эмболизирующей композицией (рассматривается ONYX) с целью блокирования кровотока через них. Данный способ хирургического вмешательства широко применяется, но до сих пор в некоторых случаях сопровождается интраоперационным разрывом сосудов мальформации. В работе математически моделируется данный процесс и строится оптимизационный алгоритм.
Для описания процесса эмболизации предлагается комбинированная модель, в которой наряду с течением крови и ONYX в АВМ учитывается переток крови в окружающие здоровые сосуды. Процесс эмболизации моделируется как процесс двухфазной фильтрации несмешивающихся несжимаемых жидкостей, где вытесняемой фазой является кровь, а вытесняющей ONYX, и используется уравнение Баклея-Леверетта, которое решается численно с помощью монотонной модификации схемы Кабаре [1]. Поток крови, поступающий в АВМ, меняется во время операции за счет перераспределения крови в соседние здоровые сосуды, в модели этот эффект учитывается путем введения дополнительных соотношений.
Основная цель работы заключается в отыскании оптимального с точки зрения безопасности и эффективности сценария эмболизации артериовенозной мальформации. Целевой функционал и ограничения, возникающие в такой задаче оптимального управления, выбираются в соответствии с медицинскими показаниями. Управлением является зависящая от времени функция, определяющая объёмный расход эмболизирующего вещества на входе в АВМ. Сформулирована и для специального закона подачи ONYX решена задача оптимального управления эмболизацией.
При изучении задачи оптимальной эмболизации использовались функции Баклея-Леверетта, построенные с помощью приближения клинических данных, полученных во время мониторинга гемодинамических параметров во время нейрохирургических операций в НМИЦ им. Мешалкина [2].
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Правительства РФ (№ 14.W03.31.0002).
1. Cherevko A.A., Gologush T.S., Petrenko I.A., Ostapenko V.V. Numerical modeling process of embolization arteriovenous malformation //AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1893. №. 1. P. 030123.
2. Khe A.K. et al. Monitoring of hemodynamics of brain vessels // J. App. Mech. Tech. Phys. 2017. Vol. 58. P. 763–770.
Татьяна Сергеевна Шарифуллина
Научно-исследовательский институт механики МГУ им М.В. Ломоносова
В основе сокращения сердца лежат сложные взаимосвязанные процессы различной природы, протекающие на уровнях одиночной клетки сердечной мышцы, ткани и целого органа. Для понимания механизмов этих процессов, их взаимосвязей и причин нарушений в работе сердца, полезны математические модели, которые могли бы лечь в основу систем диагностики сердечных заболеваний и оценки эффективности их лечения. Для этого модели должны детально описывать механизмы работы сердца и быть относительно простыми с вычислительной точки зрения.
В докладе представлена математическая модель сердечно-сосудистой системы с многомасштабным описанием левого желудочка сердца (ЛЖ) [1]. Это описание основано на подробной клеточной модели сокращения сердечной мышцы и его регуляции, задаваемой системой обыкновенных дифференциальных уравнений [2]. С помощью этой модели мы исследовали два типа наследственных кардиомиопатий, вызванных мутациями в одном из регуляторных белков сердечной мышцы. Каждая из мутаций приводила к нарушению сократительных и регуляторных свойств миокарда на клеточном уровне и изменению формы (ремоделированию) ЛЖ: концентрической гипертрофии (утолщению стенок желудочка) или дилатации (увеличению объёма полости желудочка). Мы опирались на клинические данные, полученные на клетках и сердцах пациентов с этими мутациями. Одна из них, ассоциированная с гипертрофической кардиомиопатией, вызывала существенное падение максимальной силы, развиваемой одиночным волокном мышцы, рост чувствительности силы к внутриклеточной концентрации ионов кальция и подавление зависимости такой чувствительности от длины волокон. Другая мутация, ассоциированная с дилатационной кардиомиопатией, вызывала падение кооперативности активации (наклона стационарных кривых кальций-сила) и снижение чувствительности сокращения к кальцию. Описание процессов регуляции сокращения клетки в нашей модели позволило нам численно исследовать влияние эффектов указанных мутаций на характеристики сердца как насоса. Расчёт сердечного цикла с учётом изменения формы ЛЖ выявил компенсаторные эффекты подобного ремоделирования.
Работа поддержана грантами РФФИ 18-31-00065 и 17-00-00066.
1. Syomin F.A., Zberia M.V., Tsaturyan A.K. Multiscale simulation of the effects of atrioventricular block and valve diseases on heart performance // Int J Numer Methods Biomed Eng. 2019. V. 35(7):e3216.
2. Syomin F.A. and Tsaturyan A.K. A simple model of cardiac muscle for multiscale simulation: Passive mechanics, crossbridge kinetics and calcium regulation // J Theor Biol. V. 420. P. 105–116.
Фёдор Александрович Сёмин
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН
Несмотря на то, обходные сосудистые анастомозы получили широкое применение в современной клинической практике, вопрос об оптимальном соединении сосуда-донора с сосудом-реципиентом остаётся открытым. В настоящее время существуют различные задачи оптимизации формирования анастомозов: оптимизация размера артериометрического окна, формы разреза сосуда-донора, нахождение оптимального места и угла соединения двух сосудов и другие. Ранее нами уже был исследован вопрос о нахождении оптимального угла формирования обходных анастомоз [1], однако параметры подбирались вручную, что существенно сокращало область поиска, а также увеличивало его время. В данном исследовании для оптимизации формирования сосудистых анастомозов, в частности, для поиска оптимального места соединения двух сосудов, используются методы роевого интеллекта.
Роевой интеллект - это коллективное поведение децентрализованной самоорганизующейся системы, характеризующейся тем, что некоторые простые правила взаимодействия между её отдельными агентами приводят к возникновению интеллектуального группового поведения. Данные методы оптимизации, несмотря на своё относительно недавнее появление, успели зарекомендовать себя как высокоэффективные по сравнению с такими методами, как, например, метод Гаусса [2]. В данном исследовании применяется как метод роя частиц, так и его гибридный вариант, демонстрирующий свою особую эффективность [3].
Литература:
1. Iu. O. Kuyanova., S. S. Presnyakov, A. V. Dubovoy, A. P. Chupakhin, D. V. Parshin. Numericalstudy of the tee hydrodynamics in the model problem of optimizing the low-flow vascularbypass angle // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2019, Т. 60, P. 1038-1045.
2. J. Kennedy, R. Eberhart. Particle swarm optimization // In Proceedings of the IEEE internationalconference on neural networks IV, 1995, P. 1942–1948.
3. J. Ding, Q. Wang, Q. Zhang, Q. Ye, Y. Ma. A Hybrid Particle Swarm Optimization-Cuckoo Search Algorithm and Its Engineering Applications // Mathematical Problems in Engineering, 2019, Article ID 5213759, https://doi.org/10.1155/2019/5213759
Юлия Олеговна Куянова
МГТУ им. Н.Э. Баумана; ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН
На рисунке: Схема НВК в разрезе с указанием основных функциональных элементов и электромагнитой силы АМП
Искусственный желудочек сердца (ИЖС) находит применение в терапии сердечной недостаточности терминальной стадии. Роль рабочего звена ИЖС, непосредственно обеспечивающего транспорт крови в обход желудочка сердца, играет насос вспомогательного кровообращения (НВК). В настоящее время наблюдается тенденция по переходу от традиционных подшипниковых узлов скольжения к магнитному подвесу. Данный переход связан с уменьшением гемолиза крови, потерь мощности насоса и риска тромбообразования при использовании магнитного подвеса [1].
Магнитный подвес должен обеспечивать контролируемую динамику рабочего колеса (РК) при действии внешних сил, имея при этом минимально возможные габариты. Применительно к проектированию НВК внешние силы обусловлены набегающим потоком крови. В работе [2] представлена оценка действующих на рабочее колесо гидродинамических сил, которая получена посредством решения стационарной CFD‑задачи.
В данной работе рассмотрен осевой тип НВК. Его вид в разрезе с указанием характерных элементов приведён на рисунке. Согласно выбранной схеме, поток крови набегает вдоль оси насоса на его составляющие, расположенные в проточной части: спрямляющий аппарат (СА), рабочее колесо и диффузор. Лопасти РК условно не показаны. РК приводится во вращение электродвигателем, его положение контролируется магнитным подвесом. Здесь и далее подразумевается именно активный магнитный подвес (АМП). АМП установлен в торцевые части СА и диффузора.
Для конструирования конфигурации магнитного подвеса применена методика, изложенная в [3]. Определены число витков в катушке АМП, сила тока, осевое усилие.
Для уточнения характерных размеров разрабатываемой конфигурации решена задача оптимизации по критерию минимума геометрических параметров при выполнении требования по осевой нагрузке. Варьируемыми параметрами представлены геометрические размеры, число витков, сила тока. Для достижения цели была построена конечноэлементная модель АМП. На её основе решена задача расчёта распределения магнитного поля АМП и генерируемых сил в стационарной постановке, а также проведена оптимизация по обозначенному выше списку параметров. Результат работы выражен определёнными из анализа оптимальными характеристиками АМП в составе НВК.
Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-31-90051.
1. Hoshi H., Shinshi T., Takatani S. Third‐generation blood pumps with mechanical noncontact magnetic bearings //Artificial organs. – 2006. – Т. 30. – №. 5. – С. 324-338.
2.Скорюков С.В., Киселёв В.В., Крупнин А.Е., Банин Е.П., Гуськов А.М., Сорокин Ф.Д. Оценка гидродинамических сил на импеллере осевого насоса вспомогательного кровообращения с применением методов вычислительной гидродинамики // МИКМУС-2019 (Москва, 4-6 декабря 2019). – М: Изд-во ИМАШРАН. – 2020. – С. 406-409.
3. Журавлёв Ю.Н. Активные магнитные подшипники: теория, расчёт, применение. СПб: Политехника, 2003. 206 p.
Станислав Владимирович Скорюков
