多孔股骨假体结构设计与性能研究

目前的全髋关节假体股骨柄与宿主骨之间的弹性模量存在巨大的差异,这将诱导无菌性松动等长期并发症的发生。仿生多孔股骨柄能有效缓解应力遮挡带来的骨吸收问题,并通过骨细胞向内生长从而提供牢固的长期稳定性。本文旨在通过有限元分析,探讨不同多孔股骨柄在缓解骨吸收、促进骨整合方面的应用前景。提出了一种基于金刚石晶格结构的直观可视化方法,以了解孔隙大小、孔隙率与骨生长需求和增材制造约束之间的关系,并得到了金刚石晶格结构孔隙率选择的许可设计空间。随后,借助有限元的分析方法,在计算机中仿真模拟手术结果,并对多孔假体和全金属假体进行刚度以及应力遮挡率方面的评价。结果表明多孔假体在促进骨整合和缓解骨吸收方面具有明显的优势。     

基于Voronoi模型的钽材料孔隙率与弹性模量辨识

多孔材料的弹性模量辨识,是研究多孔材料力学性能的重要部分。采用三维Voronoi随机分布模型,研究了多孔钽在准静态载荷作用力下的力学性能。建立给定孔密度下的Voronoi随机分布模型,并以梁单元的形式构建有限元模型,通过改变梁单元直径构造同一微结构下的不同孔隙率模型,进行有限元力学分析,辨识不同孔隙率下多孔模型的等效弹性模量。对实验结果数据进行分析,验证所辨识多孔模型等效弹性模量与孔隙率关系,与实验结果一致。     

承力骨支架微孔结构设计及力学特性有限元分析

承力骨支架作为人体缺损骨的替代物,不仅支撑着人体的重量,而且承受着外来的冲击。根据天然骨骼的扫描电镜形貌特征,设计了三种骨骼内部微孔单胞模型。通过ADINA有限元分析软件,分析了给定压缩应变载荷条件下,模型载荷固定端总合力同应变的关系。研究了弹性模量和孔隙率随模型参数的分布及不同孔径尺寸和孔几何形状对单胞结构力学性能的影响。结果表明:经优化的三种单胞模型同人体承力骨弹性模量相匹配,且具有较高的孔隙率及良好的连通性,为后续植入人体承力骨支架的结构设计和快速成型制造奠定了基础。     

基于3D打印的CPC人工骨支架流道结构设计

人工骨支架植入人体后主要为细胞提供支撑作用。3D打印技术的出现为组织工程化人工骨支架结构的设计、制造与优化提供了新的方法。为研究磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)人工骨支架的微孔分布及孔隙率与力学性能的关系,设计了3种不同主流道模型,并在原始模型的基础上对微孔道进行了细化,分别建立这些具有不同孔隙率的支架结构模型,采用Ansys Workbench对这些模型进行有限元分析,提取各个模型的最大等效应力和最大总变形,综合分析支架微孔的分布及孔隙率与上述参数的关系。结果显示,支架的力学性能与微孔道的分布有着紧密的关系,对于同种模型,随着孔隙率的增大,支架的最大总变形呈递增趋势,但不同模型的上述参数对孔隙率的敏感性存在一定的区别。分析结果为后续通过3D打印技术制备生物陶瓷人工骨支架提供了参考依据。     

集流体用穿孔箔横向等效弹性模量的研究

为揭示穿孔箔横向等效弹性模量与穿孔箔结构参数(孔隙率、孔形状、孔分布)之间的内在联系,根据均匀化理论,采用有限元分析软件ANSYS对穿孔箔的单位胞元进行模拟与分析,结果发现穿孔箔的横向等效弹性模量主要是由孔隙率决定,孔隙率越多,横向等效弹性模量越小;孔形状、孔分布对横向等效弹性模量也有一定的影响,孔隙率越多,影响越明显。减少孔的横向截面积,有利于穿孔箔横向等效模量的增加。最后通过实验对模拟结果进行验证,结果表明有限元法模拟结果存在一定的误差。     

新型人工骨支架结构及其功能

提出新的具有渐变性孔隙率特性的同心圆人工骨支架结构,建立数学模型并且编写结构设计和仿真软件。通过宏观把握孔隙率变化,建立人工骨支架结构与自然骨之间的对应关系,建造复杂的、高孔隙率、相互连通的微孔道立体结构,并显示三维图像指导支架内部结构的设计。由软件生成IGS文件导入其他三维辅助设计软件如 PRO／E等生成STL文件,结合快速成形技术直接制造。最后讨论该支架结构与Kammer股骨三维桁架理论结构模型之间的关系,以及该结构对骨再造和人工骨支架结构设计前景的影响。     

选区激光熔化梯度多孔支架力学性能和能量吸收研究

基于三周期极小曲面设计梯度 Ti6Al4V 多孔支架,并采用选区激光熔化打印成形,分析边缘孔隙率P_out、中心孔隙率P_in和平均孔隙率■对力学性能和能量吸收的影响。研究结果表明：相同■的梯度多孔支架弹性模量、抗压强度和单位体积的总吸收能量 W_V都随着 P_out的增大而减小,随着 P_in的增大而增大;不同 ■的梯度多孔支架弹性模量、抗压强度和 W_V随着 ■的增大而减小;P^-对其弹性模量、抗压强度和 W_V的影响大于 P_in、P_out的影响。打印成形的梯度多孔支架能够满足股骨和胫骨的弹性模量、抗压强度要求,建立的力学性能模型可为面向骨科医学多孔支架的应用提供参考。     

仿生骨支架微观孔结构的构建与评价

在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。     

基于均匀化理论的掺杂纤维对混凝土床身动力学性能的影响分析

在机床床身的制造中,以树脂混凝土为代表的复合材料是替代传统铸铁的理想材料,但这种材料的动态特性较差,影响了其使用。其中,弹性模量是影响混凝土床身动态特性的关键因素之一,而在树脂混凝土中掺杂纤维是一种改善床身弹性模量的有效方法。为研究不同纤维尺度对混凝土床身动态性能的影响趋势,采用了均匀化解析结合有限元的方法对其进行分析。首先说明了纤维混凝土均匀化的基本原理与方法;然后结合试验数据验证了该方法的可行性;最后分析了不同纤维尺度对混凝土等效弹性模量的影响趋势和床身的动态特性。结果表明,随着高弹性模量纤维含量的增加,纤维混凝土整体弹性模量随之增加,床身动态性能增强;反之,床身动态性能降低。随着纤维长径比的增大,床身弹性模量先增大后逐渐趋于平缓。     

基于TPMS建模方法进行仿生骨支架结构设计

为了更好地拟合出人体骨细胞生存生长的多孔曲面环境,采用基于函数的极小三周期曲面(TPMS)建模方法,来进行仿生骨支架结构的设计。采用这种方法,能够通过调整函数的相关参数,实现对仿生骨支架孔径大小以及孔隙率大小的精准控制。选取了TPMS结构中的一种P曲面结构,通过与人体真实骨组织结构单元孔径大小以及孔隙率大小进行比对,选定了P曲面结构的参数值u,并确定了仿生骨支架合理的单元尺寸,最后通过有限元仿真软件对模型进行了力学分析及评估,结果表明,设计的支架结构具有更匹配人体骨结构的力学性能,对指导构建人工骨支架结构具有重要意义。     

模拟点腐蚀多孔的两种油套管钢的拉伸性能

根据发生点腐蚀的油气管线基体呈现出点蚀坑的多孔特点,选用了两种常用的油套管钢N80和P110,通过计算机产生随机数确定点蚀坑的位置,利用小钻头打孔的方法模拟其基体多孔特征进行拉伸试验,测得其弹性模量E、屈服强度σ0.2和抗拉强度bσ,将前二者的理论公式进行修正,给出了两种多孔钢的bσ与孔隙率Φ的函数关系式。结果表明,随着材料Φ的增加,测得E、0σ.2和bσ均下降,且下降趋势逐渐减缓;E的测量值和理论计算值吻合,P110钢比N80钢符合得更好;0σ.2的测量值随着Φ的增加而递减,但衰减速率略快于理论预测;bσ的变化与屈服强度相似,在较大Φ时递减趋于缓慢。     

阀片弹性模量对油气弹簧阀系参数的影响

利用开阀压力与阀片变形以及流量之间关系,建立油气弹簧阀系参数解析设计公式,利用该公式可对阀系参数进行解析设计.定量分析阀片弹性模量对阀系设计参数的影响,确定阀片厚度和节流缝隙的弹性模量影响系数,利用该系数可对阀系参数进行推算设计.通过实例,对阀系参数进行解析设计和影响系数推算设计,并对两种方法设计值进行比较,校核阀系设计参数,进行设计油气弹簧的特性试验.设计和试验结果表明,阀系参数解析设计方法准确,影响系数推算设计方法可靠,对油气弹簧设计具有重要参考价值.     

基于离散单元法多孔陶瓷微球骨支架的微观结构分析

人工骨支架的孔隙率是评价体液在人工骨内部循环和细胞生长能力的重要参数,利用离散单元法分析模拟人工骨支架制备过程中HA微球的堆积过程,实现了对堆积内部微观情况的预测。本文以PFC3D软件为平台对HA石微球人工骨支架的微观结构进行了模拟仿真,从而通过改变HA微球和可速溶性小球的数量比及半径值,实现孔隙率可控,得出配位数为6时,HA微球人工骨支架的孔隙率为0．59,在满足力学性能的条件下,与人骨组织的孔隙率最为接近。     

环形金属橡胶隔振器弹性参数的确定

以实验研究为基础，通过对大量实验结果的分析，借助于金属元件抗拉弹性模量和剪切模量的计算方法，推导出环形金属橡胶隔振器在承受扭剪应力时，抗拉弹性模量以及扭剪弹性模量与金属丝直径、环形隔振器的几何参数、金属橡胶元件的相对密度之间的关系的理论计算公式。研究结果证明，利用该计算公式和有限元计算方法，可以直接求得具有不同结构参数的相应形状金属橡胶隔振器的弹性性能参数，所得计算结果与实验结果具有良好的一致性，因而大大减少了实验工作量，为金属橡胶隔振器的系列化生产奠定了基础。     

纳米金属材料宏观弹性模量的数值模拟研究

将分子动力学模拟方法与连续体的有限元模拟技术相结合,进行"复合有限元"方法的探索与研究.首先,将纳米金属材料看作由晶粒、晶界、三叉晶界组成的复合材料,基体是具有不规则原子结构的界面相,夹杂是具有理想晶格的晶粒相,用有限元源程序自动生成系统fepg软件模拟材料的宏观弹性模量,并进一步调整晶粒尺寸,研究晶粒尺寸对材料宏观弹性模量的影响.研究结果表明,随着晶粒尺寸的减小,晶界、孔洞等所占的体积比增大,材料的弹性模量也随之下降.     

弹性模量对水润滑轴承的性能影响

从材料的角度,研究弹性模量对水润滑塑料合金轴承的性能影响,包括轴承承载能力、水膜形状曲线、压力曲线和最小水膜厚度等。研究表明:在选择水润滑轴承材料时应根据其承载能力来确定轴承材料的弹性模量范围;在承载能力范围内,从弹性模量这个角度来说,应当尽可能选择弹性模量低并具有良好摩擦磨损性能的材料,因为选择较小弹性模量的材料有利于提高最小水膜厚度,从而改善水润滑轴承摩擦副的摩擦磨损性能。     

Mechanical and micromorphological evaluation of chlorhexidine-mediated dentin remineralization

Chlorhexidine (CHX) has been reported to reduce self-degradation of collagen fibrils by inhibiting host-derived protease activity in demineralized dentin. Theoretically, if the collagen fibril scaffold of demineralized dentin maintains its original crosslinkage pattern on treatment with CHX and appropriate supplementation with necessary mineral sources, dentin remineralization may occur in demineralized lesions. In this study, we provide direct mechanical and micromorphological evidence for the ability of CHX to promote remineralization of demineralized dentin. Specifically, with respect to demineralized dentin blocks treated with different concentrations of CHX (0.02-2%) and stored in simulated body fluid, we have observed a significant increase in the elastic modulus of dentin treated with relatively high concentrations of CHX (0.2 and 2%) as storage time increased, whereas the elastic modulus of the non-CHX treated control group decreased. We have also observed a dense mineral deposition along collagen fibrils in the dentin group treated with 0.2 and 2% CHX via field emission scanning electron microscopy.     

薄膜涂层弹性模量的表征与评价研究

因薄膜有其极小的厚度和特殊的微结构等特征,它与相同成分的块体材料相比,二者的弹性模量在数值大小、测试设备、表征方法和技术上都有一定的差异。给出了超声波测速法、弯曲法、鼓膜法和纳米压入法等六种适合于表征薄膜弹性模量的方法,研究了它们的原理和理论模型,分析和讨论了它们的特点和适用性,解释了用不同表征方法得出的弹性模量在数值上存在差异的原因。在实际测量中,应结合各表征方法和薄膜自身的特点加以灵活选用。     

基于十四面体模型的开孔泡沫材料弹性模量的有限元分析

利用十四面体模型描述开孔泡沫材料的胞体结构,并用有限元方法确定开孔泡沫材料的弹性模量。计算中使用相同尺寸的十四面体胞体模型,并考虑两种不同支柱截面（圆截面和Plateau截面）形状对弹性模量计算的影响。此外,通过数值方法研究开孔泡沫材料的弹性模量随模型尺寸的变化规律。同时,讨论边界条件处理对开孔泡沫材料弹性模量计算的影响。结果表明,支柱为Plateau截面形状的模型,其弹性模量明显高十具有圆截面支柱模型的结果。且两种模型的弹性模量均随模型尺度的增加而增加,最终趋于一个稳定值,并与Warren和Kraynik的理论预测较为一致。此外,边界条件对模型刚度的影响随着模型尺度的增加而逐渐减小。     

硫化橡胶拉伸弹性模量测定方法的研究

该文研究了一种硫化橡胶拉伸弹性模量测定方法,测定方法是采用电脑系统拉力试验机作为测量装置,硫化橡胶受到拉伸时电脑将显示拉力、应力与应变等数据和图表,应力与应变之比即为橡胶的弹性模量,此方法方便、快捷、效率高。