多段式骨植入体周围骨应力分布的三维有限元分析

针对植入性下肢假肢采用传统的一段式骨植入体,长期植入下由于对植入体周围的骨产生应力屏蔽效应继而引起骨质疏松,从而导致植入体松动、脱落而失效的问题,设计了一种新型的多段式结构的植入体。基于人体CT扫描数据建立了相关股骨和骨内植入体模型,针对低、中和高位下肢截肢步行最大生理载荷情况下,采用三维有限元分析方法,对新设计周围骨应力进行了分析研究,并与传统一段式骨植入体和健康自然骨的应力分布情况进行了比较。结果表明新型植入体植入后相比于一段式应力屏蔽和集中的程度得到了有效减轻,与自然状态下骨的应力较为接近,低、中位截肢下应用较好,高位下应力集中较明显,并能保持其在体内的稳定性。     

骨水泥假体柄与股骨界面应力传递简化模型

将股骨、骨水泥和假体柄看成为线弹性和各项同性材料结合的同心圆锥体,建立包含热效应时的轴对称界面应力传递简化模型.在骨水泥、假体柄承受压缩应力的状态下,应用弹性力学的基本方程,获得了假体柄、骨水泥、股骨轴向应力以及界面剪切应力随轴向位置的分布.界面失效是假体柄、骨水泥、骨结构承载的主要失效形式.热残余温差的存在,加速了假体柄、骨水泥和股骨界面的失效和假体柄的松动,加剧了股骨应力遮盖效应,这主要是骨水泥具有较高的热膨胀系数所致.由于Ti-6Al-4V（钛合金）材料的弹性模量和热膨胀系数比钴铬合金小,在一定程度上缓和了界面和股骨的失效,这和临床所见一致.     

股骨假体结构与材料性能分析及多目标优化

为依据患者个体信息获得优选的假体结构及假体材料,利用患者CT体数据集提取股骨内外轮廓线,并通过三维建模软件分别获得股骨和假体模型,对股骨和假体进行虚拟装配,通过力学计算得到最优股骨假体结构模型,利用有限元分析方法获得股骨假体额定载荷、疲劳寿命、应力遮挡率、最大变形量,依据模糊物元分析方法实现多目标优化设计,最终获得最优球头和假体柄材料匹配模型.将该方法应用于优选实例,结果表明:依据专门患者CT图像,通过完整的优选流程后,确定出最优假体结构为椭球形球头和定制式假体柄组合,最优材料匹配方案为碳纤维增强的聚醚酮复合材料球头和锆铌合金材料假体柄匹配方案.该方法为股骨假体的优选提供了有效参考.     

沥青路面加铺层结构可靠性分析

为使沥青路面加铺层设计能够充分考虑原路面整体强度的离散程度,建立旧沥青路面加铺层可靠性分析与评价方法.依据现行沥青加铺层的设计方法,建立以设计弯沉和容许拉应力为控制指标的极限状态方程,给出路面结构可靠性及其度量方法.应用蒙特卡罗法对路面结构可靠度进行了计算.在一定的参数变化范围内,分析沥青加铺层可靠度随旧路当量模量、加铺厚度以及面层模量的变化规律,并用实例对沥青加铺层的可靠度衰减趋势进行了分析.结果表明:加铺厚度和模量对沥青加铺层的可靠度影响很小,加铺层可靠度主要取决于旧路面当量模量和均匀性.提高旧路面的整体强度、降低其不均匀性是有效提高沥青加铺层可靠度的关键.     

股骨假体热应力有限元分析

为定量研究材料热物性对股骨-假体系统应力的影响,以热弹性力学为基础,利用有限元方法对髋关节置换后股骨-假体系统的应力进行分析．假设假体、骨水泥、股骨为线弹性和各向同性材料且完全结合的同心圆柱体,经力学分析和有限元仿真,分别求得钛合金和钴铬合金作为假体材料时考虑热效应前后的假体／骨水泥、骨水泥／股骨随轴向位置分布的界面剪切应力以及假体、骨水泥、股骨的轴向应力．结果表明:界面失效是股骨-假体系统的主要失效形式,热效应使界面产生了混合而不是纯剪切的失效形式,加快了股骨-假体系统的界面失效,加速了假体柄的松动;由于钴铬合金的热膨胀系数大于钛合金,钴铬合金作为假体材料时更易引起界面失效,导致手术失败．选择热膨胀系数小的假体材料,可以减小界面失效的可能性,提高手术成功率．     

Pilot biomechanical design of biomaterials for artificial nucleus prosthesis using 3D finite-element modeling

Pilot biomechanical design of biomaterials for artificial nucleus prosthesis was carded out based on the 3D finite-element method. Two 3D models of lumbar intervertebral disc respectively with a real human nucleus and with the nucleus removed were developed and validated using published experimental and clinical data. Then the models with a stainless steel nucleus prosthesis implanted and with polymer nucleus prostheses of various properties implanted were used for the 3D finite-element biomechanicalanal ysis. All the above simulation and analysis were carried out for the L4/L5 disc under a human worst-daily compression load of 2000 N. The results show that the polymer materials with Young‘s modulus of elasticity E=0.1-100 MPa and Poisson‘s ratio v=-0.35-0.5 are suitable to produce artificial nucleus prosthesis in view of biomechanical consideration.     

松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析

依托江西萍莲高速莲花隧道,建立考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型,实现不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性影响的定量分析,在数值计算过程中研究注浆加固区力学参数(弹性模量、黏聚力)、管棚间距、注浆半径等因素对隧道稳定性的影响,并将研究成果应用于依托工程中,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明:在隧道进洞段,隧道拱顶区域与掌子面前下方区域存在塑性区,上述2个区域为隧道进洞开挖过程中最易失稳的区域;管棚注浆加固可有效限制围岩变形,降低围岩体积应变,且管棚注浆加固区可有效隔离拱顶区域的围岩塑性区,有利于保证隧道拱顶安全;在整个管棚注浆加固长度内,管棚最大沉降量出现在隧道开挖掌子面附近;管棚最大沉降量的绝对值与注浆加固区弹性模量及注浆半径负相关,而与管棚间距正相关,但管棚间距对管棚最大沉降量的影响程度相比其他2个因素小。     

松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析

依托江西萍莲高速莲花隧道,建立考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型,实现不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性影响的定量分析,在数值计算过程中研究注浆加固区力学参数(弹性模量、黏聚力)、管棚间距、注浆半径等因素对隧道稳定性的影响,并将研究成果应用于依托工程中,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明:在隧道进洞段,隧道拱顶区域与掌子面前下方区域存在塑性区,上述2个区域为隧道进洞开挖过程中最易失稳的区域;管棚注浆加固可有效限制围岩变形,降低围岩体积应变,且管棚注浆加固区可有效隔离拱顶区域的围岩塑性区,有利于保证隧道拱顶安全;在整个管棚注浆加固长度内,管棚最大沉降量出现在隧道开挖掌子面附近;管棚最大沉降量的绝对值与注浆加固区弹性模量及注浆半径负相关,而与管棚间距正相关,但管棚间距对管棚最大沉降量的影响程度相比其他2个因素小。     

基于ABAQUS和正交试验的隧道围岩稳定性分析

在城市地铁施工过程中,为了保证围岩的稳定性,以某市地铁10号线某车站区间作为研究对象,采用CRD法进行施工,利用有限元软件ABAQUS建立隧道三维模型,经过数值模拟计算得到在不同施工时步下围岩应力场、位移场和衬砌的受力情况.在数值模拟的基础上运用正交设计法分析影响围岩稳定性的因素.结果表明,随着隧道在不同施工时步下进行开挖,围岩的应力呈现逐渐降低的趋势,围岩的位移呈现逐渐增大的趋势.通过极差和方差分析,得到影响围岩稳定性因素的重要性排序依次为弹性模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角和膨胀角.     

C／C+HA骨植入材料对杂交波尔山羊生理生化机能的影响

碳／碳复合材料+羟基磷灰石涂层(C／C+HA)骨植入材料具有与人体骨组织十分接近的弹性模量和优良的表面生物活性,是一种具有重要临床应用价值的骨替换材料.采用杂交波尔山羊作为动物实验模型,开展了C／C+HA复合材料骨内植入实验,并从呼吸、心跳、消化、血液和免疫等方面考察了该植入材料对实验动物生理、生化指标的影响,进而探讨了该材料的生物安全性.结果表明:在植入手术后61?d的观察期内,虽然实验动物出现轻度贫血和消化吸收功能下降,但未发现C／C+HA复合材料引起的热源性反应、急性感染和免疫功能下降,说明该材料具有较好的生物安全性.     

一种测量角膜弹性模量的新方法

为了在离体状态下采用完整的兔眼角膜,以一种新的方法测量角膜的弹性模量,并对比角膜切削后前凸位移和应力的变化.应用准分子激光切削兔眼角膜,改变角膜的厚度.剥离和固定角膜,在角膜内表面施加静水压力,三维扫描仪扫描和获取正常角膜厚度、切削原角膜厚度1/3和1/2角膜厚度的角膜图形,计算出各组角膜中心的前凸位移.Abaqus有限元软件建立相应的模型,利用实验得出的前凸位移反推兔眼角膜的弹性模量.结果表明反推得到兔眼角膜的弹性模量随角膜切削量的增加而增加.反推得到的弹性模量与临床检测一致,切削越多模型在切削区域表现为应力增大,在位移上反映为切削区域的位移量增加,但位移与应力在切削边界上都不发生突变.     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

考虑颗粒破碎的堆石料动力变形特性模拟

颗粒破碎是影响堆石料强度和变形特性的重要因素,但目前针对颗粒破碎的模拟研究多在静力荷载条件下.为研究颗粒破碎对小应变条件下堆石料的动力变形特性的影响,采用多个等粒径小球按最密六方排列随机组合模拟不规则形状的堆石颗粒,通过碎片替换法模拟颗粒破碎,研究了花岗岩堆石料不同围压下的动力响应,探索了孔隙率对动弹性模量的影响,分析...     

埋入式塑料光纤与混凝土间的应变传递分析

推导埋入式塑料光纤（POF）-混凝土复合体中各相材料间的应变传递模型,并通过有限元数值仿真验证模型的正确性.基于该模型对主要参数进行敏感性分析,分别分析塑料光纤涂覆层的弹性模量、厚度,纤芯弹性模量以及埋设长度对应变传递率的影响.数值仿真计算结果与理论分析基本一致,塑料光纤埋设段中间大部分区域的应变传递率接近于1,说明混凝土内部的应变可有效传递至塑料光纤纤芯.敏感性分析表明,使涂覆层厚度小于0.5 mm,弹性模量大于100 MPa,埋设长度大于300 mm,有利于埋入式塑料光纤与混凝土之间的应变传递.     

非均匀颗粒二维动力性状的模拟与研究

通过构造二维离散元模型,分析了土体在动荷载作用下的运动情况,并对任意时间步的应力应变进行了分析。针对以往的单一颗粒的模拟,提出了运用两种不同形状的颗粒进行模拟,即圆盘颗粒和椭圆盘颗粒。并且针对不同泊松比和弹性模量,利用Hertz接触理论,对圆盘圆盘接触、圆盘椭圆盘接触以及圆盘或椭圆盘与四周边界的接触进行了讨论,并对具体接触的法向受力以及颗粒重叠量进行了解析推导。最后通过变化不同动荷载的均值得到σd-εd表示的"骨干曲线",通过对"骨干曲线"的非线性模拟,得到土的动力本构模型。     

基于累积损伤的结构系统时变刚度可靠性分析

基于累计损伤的结构系统时变刚度可靠性分析,对设计寿命期内结构系统刚度可靠性指标的影响非常重要.根据疲劳载荷造成的累积损伤对材料极限应力的影响,结合材料强度与弹性模量之间的关系,给出了结构构件在基于累积损伤下剩余弹性模量的表达式,并导出了在外载作用下刚度失效时安全余量的具体表达式.采用改进的一次二阶矩方法求解可靠性指标,用改进的分枝限界法寻找主要失效模式,然后用PNET法计算结构系统可靠性.数值算例表明,结构系统在设计寿命内虽然满足了系统疲劳可靠性的要求,但随着使用寿命的增加,结构系统刚度可靠性下降,当疲劳载荷循环次数大于一定值时,结构系统结构刚度可靠性不能满足设计要求.因此,该方法为设计人员综合考虑结构系统可靠性提供理论依据.     

飞机荷载作用下湿化对粉土道基应力响应的影响

我国西北、华北地区因地制宜选取粉土作为道基填料，在机场的服役过程中，“锅盖效应”或降雨入渗等易引发局部积水而使粉土道基湿化。在飞机荷载作用下，粉土湿化对不同跑道结构参数的道基荷载响应影响显著。本文通过自研的湿化粉土道基加载模型试验系统，研究了粉土不同湿化程度的土体应力响应特征，并且建立数值仿真模型，分析了道面板相互作用机制，面层和基层厚度、刚度等不同跑道结构参数下湿化对道基敏感区域应力响应以及荷载响应深度等的影响规律。研究结果表明：道面板间接缝传荷能力对道基应力响应的影响较小。粉土湿化促进了道基中的应力叠加效应，也增加了道基应力响应对跑道结构参数变化的敏感性，但降低了荷载响应深度对跑道结构参数变化的敏感性。在受荷较大的道面板中心点下，粉土湿化下水泥道面板刚度对道基应力响应的影响较小，基层弹性模量是道基应力响应的主要影响因素。面层厚度和基层厚度是受荷道面板外侧角点下道基应力响应的主要影响因素，合理的基层参数能有效降低湿化对道基受力状态的影响，研究成果能为机场工程跑道结构设计、优化以及道基病害处理等提供技术依据。     

群桩条件下刚性桩加固斜坡软弱地基路堤稳定性分析

针对刚性群桩加固斜坡软弱地基路堤的应用还不充分问题。通过有限元软件ABAQUS建立刚性群桩加固斜坡软弱地基路堤的三维数值分析模型,对比分析了刚性桩桩距、桩身弹性模量等设计参数对桩内力、变形的影响及其对路堤加固效果的影响。研究表明:经刚性群桩加固后,斜坡软弱地基的整体稳定性得到显著提高;与无桩加固相比,路堤最大沉降值减小约1.5～1.93倍,地基的侧向变形值减小约1.46～2倍;随着刚性桩弹性模量、嵌固深度增加,刚性桩的受力状态影响不大,刚性桩最大竖向应力和最大桩身土压力的变化幅度均小于10%;桩距对刚性桩的受力状态、水平位移影响较为显著;对比分析桩距和桩弹性模量对路堤沉降值的影响,研究发现桩距是影响路堤沉降的主要因素。因此综合考虑路堤稳定性、桩身受力以及工程的经济性,本工程刚性群桩桩距选择为2 m,弹性模量选择为10 GPa。     

基于检测方法的再生混凝土弹性模量试验研究

利用废弃混凝土加工制备为再生细集料,以再生细集料取代率为变量参数配置3种水胶比的再生骨料混凝土,通过混凝土标准弹性模量测试法、基于本构关系测试法以及超声波无损检测法,研究再生细集料取代率对富含砖粒再生混凝土弹性模量的影响规律以及超声波波速与弹性模量之间关系。试验结果表明,以应力-应变曲线上升段的割线斜率作为再生混凝土弹性模量值,该值随再生细集料取代率的变化规律与弹性模量试验测得的变化规律一致,呈现先增大后减小的趋势,且在取代率为30%时达到最佳状态。提出了以再生细骨料取代率为影响因素,富含砖粒再生混凝土立方体抗压强度与弹性模量关系计算模型,拟合出了超声波波速与再生混凝土弹性模量函数式。     

Numerical simulation study of the failure evolution process and failure mode of surrounding rock in deep soft rock roadways

Based on the safety coefficient method,which assigns rock failure criteria to calculate the rock mass unit,the safety coefficient contour of surrounding rock is plotted to judge the distribution form of the fractured zone in the roadway.This will provide the basis numerical simulation to calculate the surrounding rock fractured zone in a roadway.Using the single factor and multi-factor orthogonal test method,the evolution law of roadway surrounding rock displacements,plastic zone and stress distribution under different conditions is studied.It reveals the roadway surrounding rock burst evolution process,and obtains five kinds of failure modes in deep soft rock roadway.Using the fuzzy mathematics clustering analysis method,the deep soft surrounding rock failure model in Zhujixi mine can be classified and patterns recognized.Compared to the identification results and the results detected by geological radar of surrounding rock loose circle,the reliability of the results of the pattern recognition is verified and lays the foundations for the support design of deep soft rock roadways.