半月板切除对多屈曲角位姿胫股关节接触性能的影响

针对半月板损伤切除后胫股关节接触特性的变化,该文利用正常膝关节四个屈曲角度(0°/25°/60°/80°)下的MRI 图像数据,构建了正常/内侧半月板切除/外侧半月板切除/双侧半月板切除的胫股关节有限元模型,对各屈曲角度下的四种模型分别施加单一压载荷和压扭组合载荷进行有限元仿真,仿真结果表明:1) 对胫股关节的各个屈曲角位姿而言,单侧半月板损伤切除后,存留侧半月板所承担的轴向载荷及半月板表面的最大等效应力增加,其中外侧半月板切除较内侧半月板切除的增量大;2) 各屈曲角位姿下,半月板损伤切除后,胫骨/股骨软骨直接传递的轴向载荷增大,双侧半月板切除的增加量最大,单侧半月板切除对切除半月板侧的影响次之,对保留半月板一侧的影响最弱;此外,胫骨软骨上的最大等效应力以内侧/外侧/双侧切除的顺序依次增大;3) 胫股关节中外侧/双侧半月板损伤被切除后,25°和80°的屈曲角位姿下的外侧胫骨软骨上出现明显的应力集中.总之,对于各个屈曲角位姿的胫股关节,半月板损伤切除后,导致胫骨软骨/股骨软骨通过直接接触传递了更多的载荷,由此改变了软骨上的应力分布,使软骨上的最大等效应力值增加,从而引起了关节软骨退变及关节的其它综合病变.外侧半月板切除引起的胫股关节接触特性的变化比内侧半月板切除时更大,在半月板切除术中应加以重视.     

MCL缺损对多屈曲角胫股关节力学特性影响

该文通过SONATA MAESTRO 1.5T采集0°/25°/60°/80°四个屈曲角下的正常膝关节的MRI图像,构建四个屈曲角位姿的正常/内侧副韧带缺损的整体胫股关节3D 模型,通过对这八组模型施加不同的外翻力矩进行有限元仿真,来分析内侧副韧带缺损时关节软组织及韧带的力学特性。仿真结果表明:1) 膝关节外翻时,内侧副韧带缺损会引起交叉韧带的张力显著增大,前交叉韧带和后交叉韧带替代了内侧副韧带的外翻限制作用,成为抵抗外翻的主要稳定结构,其中前交叉韧带相比后交叉韧带能提供更大的外翻阻力。随着屈曲角度的增加,交叉韧带抵抗外翻的负荷均显著增大。在高屈曲角位姿时,交叉韧带尤其是前交叉韧带,极易伴随内侧副韧带断裂而产生联合损伤;2) 内侧副韧带缺损降低了膝关节的直向稳定性,特别对股骨内侧髁与内侧胫骨关节面的直向稳定性的损失最为 明显。膝关节的外侧关节软骨和半月板在外翻时比正常关节承受更高的负荷,同时外侧半月板传递力的能力明显下降;3) 内侧副韧带损伤后,股骨软骨在小屈曲角位姿(25°屈曲角)等效应力值变化最大,而胫骨软骨和半月板在小屈曲角位姿(25°屈曲角)和高屈曲角位姿(80°屈曲角)最大等效应力值变化最为明显,外翻时最大等效应力变化最大的屈曲角位姿将更易导致关节软骨与韧带损伤。     

ACL单束／双束重建对胫股关节应力分布影响

该文基于正常膝关节的MRI图像数据,构建正常／单束／双束韧带重建胫股关节整体模型,通过对这3个关节整体模型分别加载单一负荷（轴向力）及组合负荷（轴向力和扭矩）进行有限元仿真,得到3个整体模型在两类负荷作用下的应力分布;通过从整体模型的应力云图中提取股骨、胫骨、关节软骨、半月板及后交叉／内侧／外侧韧带的表面应力等进行对比...     

前交叉韧带单束移植隧道对胫/股骨承载影响的正交实验

利用膝关节处的密质骨和松质骨在CT成像中灰度值不同的特点,通过选取合适的阈值建立了含密质骨和松质骨的股骨和胫骨三维模型。同时,在视觉导航确定前交叉韧带(ACL)单束移植隧道起止点位置的条件下,按正交实验变换ACL移植隧道参数(孔径D、冠/矢状面上的倾角α/β),构建了含隧道股骨/胫骨模型。正交实验分为5个水平,依据在直立位胫/股骨处于静平衡时以等力传递载荷的原则,分别对含隧道的股骨及胫骨施加等值压缩和弯曲载荷进行有限元分析,得到隧道参数对股骨和胫骨应力影响特性。正交实验表明,三个参数对含隧道股骨的应力影响不明显(应力增量≤7.93%),但对含隧道的胫骨应力影响显著:受压缩载荷时冠/矢状面倾角α/β产生的应力增量分别达到39.10%和36.88%,而受弯曲载荷时矢状面倾角β引起应力增量最大可达24.66%。     

移植隧道对股骨力学性能的影响

该文应用Mimics 8.1软件由膝关节螺旋CT数据重构3D股骨模型。基于该模型依据单束、双束韧带重建手术的要求,建立了膝关节正常股骨、含单移植、双移植隧道股骨的三种近似三维有限元模型。根据股骨在关节屈伸中承受载荷的性质提取压缩、弯曲和扭转三种作用力,分别加载到上述三种有限元股骨模型上,进行有限元仿真。该文提出截面应力比较法,从股骨截面应力云图中提取最大有效应力值与最大第一主应力值为指标来评定隧道对股骨承载性能的影响,通过对比分析表明:无论采用前交叉韧带重建的哪种方法,在正常压缩、弯曲和扭转的三种负载下,隧道对ACL重建后的截面应力分布状态影响不明显,对股骨最大有效应力值的影响较弱(应力变化量≤5.06%),对股骨第一主应力值的影响也较小(变化量≤6.85%)。总之,ACL重建移植隧道对股骨承载应力的影响较小。在临床手术中医生对股骨隧道的视点只需放在起止点的准确选取上。该文提出的截面应力比较法丰富了ACL重建术后的股骨力学性能评定的技术与方法。     

ACL移植物初始力对胫股关节接触性能影响

为深入研究ACL重建中移植物初始力对术后膝关节性能的影响,该文从MRI数据中提取膝关节各组织来构造出正常膝关节三维模型,通过对正常膝关节添加隧道与植入ACL移植物构建出ACL单束/双束重建膝关节模型。随后在压扭、压弯及压扭弯载荷作用下通过对ACL移植物施加10N~100N范围内的初始力进行有限元仿真,以此来分析初始力对关节软骨、半月板、移植物的应力分布影响以及对关节间接触力和关节位移的影响,所得结论如下:首先,单束/双束重建胫股关节的软骨、半月板的应力分布受初始力影响较小,其最大等效应力随初始力的变化分别不超过25%和20%,但移植物上的最大应力却随初始力的增加明显增大;其次,单束重建关节中半月板传递的轴向载荷随初始力增大而增加,双束重建关节中半月板传递载荷则随着初始力的增大反而减小;最后,在初始力10N~100N范围内,胫骨前移与所承受的前向力载荷之间基本成线性关系,前移量随初始力增大而减小。根据重建关节特性曲线表明,初始力对双束重建的影响稍微小于单束重建。     

一种无图像导航下ACL重建的等距规划方法

针对膝关节前交叉韧带(ACL)移植位置不易确定的问题,采用光电跟踪技术,提出了一种基于等长规划的ACL无图像导航重建方法.首先根据韧带等距理论,设计了一种基于计算胫骨绕股骨运动过程中距离变化最小的点对的等距规划方法,然后分析了无图像导航系统的总体结构及关键技术,包括手术空间各对象的坐标转换、关节特征采集原则和表面重建方法,最后利用该方法进行了2例牛腿骨实验.结果表明,该规划方法合理有效,在股骨/胫骨的生长区域内的定位精度达1.45mm,能够满足临床手术要求.     

猪下肢骨骼的冲击压缩试验研究

水下爆炸或者陆地触雷爆炸时,人下肢骨骼极易损伤,为研究冲击载荷作用下股骨、胫骨的动态力学性能以及它们不同部位动态力学性能的分布规律,利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)分别对股骨、胫骨的不同部位进行不同应变率下的动态压缩实验。分别得到股骨和胫骨不同部位在不同应变率下的压缩变形情况以及应力应变曲线,进一步得到它们在冲击压缩下的抗压强度。研究表明:股骨,胫骨都对应变率具有较大的依赖性;在冲击压缩条件下,股骨和胫骨动态力学性能都表现出两端较弱,中部较强的分布规律,该研究成果对以后提高人体的抗冲击能力,加强人体冲击伤的救治与防护具有一定参考价值。     

CFRP薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性,制备了4种铺层方式、3种厚度组合共12种T700/MTM28 CFRP薄壁C型柱试件。考察C型柱低速轴向压缩过程中的失效模式及载荷变化,通过比较初始峰值载荷、平均压缩载荷、比吸能和载荷效率,分析铺层数及铺层角度对C型柱失效模式及吸能特性的影响。结果表明,纯0°铺层C型柱在轴压载荷作用下发生整体失稳,不具备实际意义上的能量吸收作用;0°/90°铺层、±45°铺层、45°/90°/-45°/0°铺层试件均发生了渐进式破坏,呈现出局部屈曲叠缩的失效模式。其中,45°/90°/-45°/0°铺层的C型柱比吸能随铺层数的增加而增加,具有更大的吸能设计与应用潜力。     

假体植入偏差对TKA后膝关节面间力学特性的影响

该文基于含假体膝关节的实体模型,构建包含股骨假体植入偏差的直立位TKA后膝关节模型,通过有限元仿真,分析了TKA术的假体植入偏差:股骨假体的内/外移偏差、前/后移偏差、内/外旋偏差及内/外翻偏差对含假体关节面间的力学特性的影响。分析结果表明:股骨假体相对胫骨的内翻偏差对胫骨假体衬垫的最大等效应力和接触应力分布的影响最显著。因此,在全膝关节置换手术中,应尽量减小股骨假体与胫骨间的内/外翻偏差,以控制假体关节面间的应力变化及应力分布变化,来降低胫骨假体衬垫的磨损,该文的分析结果能够为膝关节假体磨损及抗磨损膝假体形面设计提供参考。     

不同拉压模量及软化特性材料的球形孔扩张问题的统一解

对于具有不同的拉压模量及软化特性的岩土类材料,提出了不同拉压模量及软化特性的控制参数,采用双剪统一强度理论推导了球形孔扩张问题的应力及位移的统一解。分析了模量、模型和软化等控制参数对球形孔扩张时的扩张压力、塑性区开展规律及应力场的影响。结果表明:圆孔极限扩张压力,塑性区的发展规律,应力场,位移场等均随着模量控制参数、模型参数及软化参数的变化而变化,因此若采用经典的弹性理论、单一的模型参数及传统的不考虑应变软化来对岩土类的工程材料进行设计计算,必会带来较大的误差。     

复合材料管接头拉扭作用下胶层应力分析

发展了一种复合材料胶接管接头在拉伸和扭转载荷作用下胶层内应力分析模型。该模型利用管接头结构中缠绕法成形的管和套管材料、几何形状和所承受载荷的轴对称性,采用一阶层合板理论分析管壁的应力和变形。通过管接头中管、套管和它们之间胶层的位移协调性确定胶层内的应变和应力,从而建立了管接头结构的平衡方程。本模型计算了缠绕角为54°和26°管接头胶层内剥离应力、轴向剪切应力和切向剪切应力,计算结果与有限元分析结果相吻合。      

一种新型无柄股骨假体的设计研究

通过对比传统有柄股骨假体的应力分布来研究新型无柄股骨假体的生物力学性能。利用真实人体股骨上端的CT扫描图像,建立完整股骨、2个或3个固定螺钉的无柄假体、传统有柄假体的三维有限元模型。模拟人单腿直立的载荷情况,分析和比较每种模型的Von Mises应力分布。研究表明,无柄假体股骨上的Von Mises应力比传统有柄假体和完整股骨上的都要高;与传统有柄假体相比,防止了应力遮挡效应的产生;2个或3个固定螺钉的无柄假体在股骨的Von Mises应力分布上没有明显差别。新型无柄假体可以防止应力遮挡效应,和传统有柄假体相比能够使股骨上的应力分布更加符合实际的生理情况。     

FATIGUE BEHAVIOR OF A PLASMA-SPRAYED 8%Y2O3-ZrO2 THERMAL BARRIER COATING

Abstract— Thick thermal barrier coatings with thicknesses on the order of a few millimeters are being developed for use in diesel engines with operating temperatures of about 800°C. In this environment, a coating will experience thermomechanical cycling due to differences in elastic and thermal expansion properties between the coating and the substrate. The inelastic constitutive behavior of the coating material results in both compressive and tensile stresses. To observe the effects of such stresses, specimens of plasma-sprayed 8%Y₂O₃-ZrO₂ were fabricated to allow testing of the coating material independent of the substrate. Cyclic compression fatigue tests were conducted at room and high temperature (800°C) to simulate the loading environment to which the coating materials will be exposed during service. At high temperature, the compressive fatigue strength of the coating material increased by nearly 100%. Fatigue tests in tension and combined tension/compression were conducted at room temperature to evaluate the effect of mean stress. It was observed that a varying mean stress had no significant impact on the fatigue lives of the coating material and the fatigue life was controlled by the maximum tensile stress of the cycle. Results from fatigue tests and SEM observations indicated that the damage accumulated during the tensile and the compressive portions of the fatigue cycle were independent of each other.     

THE HIGH STRAIN-RATE FRACTURE CHARACTERISTICS OF DUCTILE METALS AT ELEVATED AND SUB-AMBIENT TEMPERATURES

Abstract— High strain-rate tensile tests have been carried out on pre-notched specimens of OFHC copper and Remko iron at both elevated and cryogenic temperatures. When properly expressed as a function of stress triaxiality at the centre of the notch (as predicted by numerical simulations of the experiment), the ductility of copper was found to be independent of temperature over a range from —190°C to 300°C. The specially-processed Remko iron was found to undergo a ductile-to-brittle transition at a temperature dependent on the stress triaxiality and the particular batch of the material. Otherwise the fully ductile strains-to-failure (when expressed as a function of stress triaxiality) for iron were found to decrease with increasing temperature up to 400°C; this being the maximum temperature tested.     

非局部损伤模型的客观性研究

为了解非局部模型在模拟应变软化现象时的客观性,文中首先介绍了几种常用的非局部模型,而后针对一个受拉杆问题,采用解析方法研究这些非局部模型能否解决进行应变软化问题数值模拟时存在的两个问题:网格依赖性和零能量消耗问题,得到了杆端位移关于应力、网格尺寸的表达式,并用图解表明这种关系。发现有的模型能够较好地解决这两个问题,而有些模型却不能克服这两个问题,解答也不能客观地反映结构的实际响应。因此有必要进一步深入研究非局部模型。