一个椎间盘生物力学模型

椎间盘在脊柱运动中起着重要的作用,根据椎间盘的生物力学特点建立力学模型.采用复合材料力学中的弹性嵌入体解,建立了椎间盘的一个横观各向同性圆柱体力学模型.求出了腰椎间盘在直立位、弯曲及扭转作用下的应力应变和位移解.得出结论椎间盘在受复合载荷的作用下更易被破坏.     

人工椎间盘的超弹性变形分析

为了分析人工生物材料的基本性能,并了解人工生物材料在人体环境中的实际工作状态,建立了人工椎间盘的平面应变超弹性力学模型,包括上下骨板、外环和中间核3部分;研究了在拉、压、剪切作用下人工椎间盘的超弹性变形和应力-应变关系.研究结果表明,超弹性力学模型能很好地模拟人工椎间盘的非线性载荷-位移曲线和应力-位移曲线.     

基于黏弹性的超高分子量聚乙烯齿轮计算分析

为给超高分子量聚乙烯（UHMWPE）齿轮的承载能力计算及校核提供理论依据和参考,本文以UHMWPE的非线性黏弹性为基础,采用了黏弹性力学模型和超弹性力学模型（Arruda-Boyce模型）相结合的方法,建立了UHMWPE齿轮的力学模型和几何模型,应用ABAQUS非线性有限元分析软件,对与钢齿轮啮合运转时的UHMWPE齿轮进行了动态模拟,并对它的应力和应变大小、分布及承载能力进行了计算和分析研究.结果表明,齿根部位的Von Mises应力和弯曲应力最大,轮齿节点处的接触压应力最大.建立在非线性黏弹性基础上的UHMWPE齿轮动态模拟和计算分析结果更符合实际.     

基于微观力学的沥青混合料黏弹性预测

利用微观力学和逾渗理论预测了沥青混合料的黏弹性能。将沥青混合料看作刚性粗集料颗粒夹杂于黏弹性沥青砂浆基体内的复合材料,在Laplace空间域内利用Mori-Tanaka等效夹杂理论和宏观平均理论,建立了从沥青砂浆黏弹性预报沥青混合料黏弹性的模型。基于逾渗理论修正了模型中的参数,并与静态蠕变试验结果进行了对比。结果发现:粗集料对黏弹性沥青基体性能具有增强作用,沥青混合料黏弹本构方程可以表示为粗集料增强系数与沥青基体黏弹本构方程的乘积形式。微观力学预测的增强系数较试验值偏小,误差分析发现,产生偏差的主要原因是Mori-Tanaka方法考虑集料间相互作用较弱,当粗集料体积分数较大时,预测模型精度下降。通过逾渗理论对粗集料体积分数修正后的结果与试验值较吻合。     

岩石蠕变的热力学本构模型及应用分析

通过建立一个基于非平衡态热力学的岩石黏-弹-塑性本构模型,用以分析岩石的蠕变变形和蠕变失稳问题.该模型不同于经典弹-塑性模型,从可逆、不可逆能量过程及能量的涨落出发,推导得到了可统一描述岩石黏-弹-塑性行为的本构关系,无需屈服面、流动法则等概念.它通过将应力划分为弹性应力和黏滞应力来描述岩石的黏-弹性行为,而通过耗散流和涨落运动的概念来描述岩石的黏-塑性行为.分析表明,该模型可以反映岩石在高围压下延性破坏、在低围压下脆性破坏的特征,同时也可较好地预测岩石的蠕变变形和蠕变失稳规律,并可较好地阐述其中的物理机制.     

C4-C6颈椎节段受压生物力学特性分析

文章利用影像诊断技术(CT扫描)获得的人体颈椎三维图形,配合相关的生理解剖学知识,建立了颈椎C4-C6运动单元完整和精确的有限元模型.这一模型包括了颈椎C4-C6运动单元的各节骨骼、椎间盘和各种韧带.在这一颈椎运动单元的有限元模型中,椎间盘纤维环材料模型为作者前期提出的一种超弹性的、考虑基质与纤维剪切相互作用的纤维加强复合材料模型,其余的均简化为线弹性材料模型.文中模拟了颈椎受到轴向压缩载荷时的生物力学特性,分析了不同椎间盘纤维环材料模型对椎间盘生物力学响应的影响,得出的有限元分析结果(颈椎力-位移关系)与文献中的轴向压缩实验数据较为吻合.颈椎有限元模型在受到压缩过程中,椎间盘纤维环背侧的应力变化最为明显.文中采用有限元方法所得出的颈椎生物力学特性可以为临床上颈椎不稳和椎间盘纤维环退变的诊治提供生物力学依据.     

巷道矸石充填控制覆岩变形的力学机理研究

建立了巷道矸石充填的力学模型,并应用Ritz法求解了煤柱位移场的弹性解.根据弹性-黏弹性对应原理,通过引入Maxwell体流变模型,求解了煤柱位移场的黏弹性解.得到了煤柱的压缩变形、侧向变形等随时间及充填体材料特性的变化规律,由此可确定充填巷采煤柱的变形特征,并估计了煤柱最终变形量及变形稳定时间等.将研究结果与某矿区充填开采实测变形规律比较,两者具有较好的吻合.     

基于锻件为弹黏塑性体的液压模锻锤动态研究

研究了锻件的黏塑性特性,建立了锻件的弹黏塑性模型及本构关系,并以此为基础建立液压模锻锤动态力学模型,求解了打击力及基础振动数学解析式,进而进行仿真研究并给以实验验证。研究表明:本文建立的模型可应用于液压锤的设计中。     

温度对考虑黏弹性的钢-橡胶对滚结构动态力学特性的影响

为研究温度对考虑黏弹性的钢-橡胶对滚结构的动态力学特性的影响,通过钢-橡胶对滚结构实验平台进行钢-橡胶对滚结构动态力学特性实验,测得在连续转动过程中橡胶辊的温度变化以及压深变形量、接触宽度等,分析温度对橡胶辊压深变形量及接触宽度的影响.采用与实验平台橡胶辊相同材料的圆盘形试样进行动态热分析实验,得到不同温度下的橡胶应力松弛曲线以及不同频率下的损耗因子;基于此实验数据,对橡胶材料进行本构模型参数辨识,得到不同温度下超弹、黏弹参数;最后对钢-橡胶对滚结构进行不同温度下的瞬态动力学仿真,讨论橡胶辊的黏弹性强弱与温度的关系,分析不同温度下橡胶辊的压深变形量、接触宽度、von Mises应力应变、接触压力以及接触刚度等特性.结果表明:橡胶辊的黏弹性程度随温度的升高而减弱;温度对橡胶辊动态力学特性的显著影响表现在von Mises应力、接触压力及接触刚度随温度的升高而减小,von Mises应变、压深变形量及接触宽度随温度的升高而增大.     

非均匀各向异性骨建模

为了建立针对专门患者的精确骨生物力学模型,研究通过在骨生物力学模型中引入非均匀各向异性特性来提高骨的精确性,同时通过建立患者医学影像信息和生物力学参数之间的关系,使所建立的骨的生物力学特性模型更加个性化.最后利用有限元方法对所建立的非均匀各向异性骨生物力学模型进行解算.比较有限元仿真计算结果和相应的生物力学实验数据,结果显示二者在趋势和数值方面吻合度很好,同时将相同条件下非均匀各向异性有限元仿真结果和均匀各向同性仿真模型分别与生物力学实验数据做比较,结果表明非均匀各向异性骨模型与生物力学实验结果间误差更小,基于医学影像信息非均匀各向异性骨模型比均匀各向同性骨模型精确性更高,并且能有效体现专门患者骨的力学特性.     

人体腰椎节段CT图像的反求建模和有限元分析

利用Mimics将人体腰椎CT断层扫描图像反求建模,导入UG并加入包含纤维环及髓核的椎间盘,模拟建立人体腰椎L4-L5节段三维模型,再通过UG与ANSYS Workbench的无缝接口将该模型导入后者,对模型赋值并进行有限元分析,得出人体直立站位时,正常腰椎的椎体位移云图及应力云图.最后将模型进行简化,利用材料力学的理论公式进行强度校核.得知最大位移发生于椎间盘上表面前部,位移值为0.161 mm;最大应力出现在L4下关节突上,应力值为15.073 MPa.有限元分析结果与理论计算结果相对误差较小,表明方法可行,计算结果可靠,为临床医学提供理论参考.     

高速冲击下人体颈椎与椎间盘接触应力分析

建立了人体头颈部有限元生物力学模型,并在颈椎与椎间盘问设置接触．以15g加速度裁荷施加于头颈部有限元模型的头部,进行高速冲击有限元分析,得出颈椎与椎间盘的接触应力分布情况．结果表明：高速冲击下C6、C7间易发生椎间盘突出;在头颈部有限元模型中设置接触奈件,可以更好地模拟头颈部的生理特性和动力学响应情况．     

旧路模量对沥青稳定碎石基层路面结构力学影响分析

沥青稳定碎石柔性基层路面结构是目前国际沥青路面界的研究热点,其中旧路回弹模量是沥青路面结构设计中的重要参数,取值变化范围很大,对路面结构力学有重要的影响.文章选取沥青稳定碎石柔性基层沥青路面结构,选用标准荷载,建立三维有限元路面结构模型,分析旧路回弹模量参数变化时的力学响应.分析结果为设计柔性基层沥青路面提供了力学理论依据.     

Deformation response of roof in solid backfilling coal mining based on viscoelastic properties of waste gangue

Solid backfill mining(SBM) is a form of green mining, the core of which is to control and minimize the deformation and movement of strata above longwall coal mines. Establishing a mechanical model that can reliably describe roof deformation by considering the viscoelastic properties of waste gangue is important as it assists in improving mine designs and reducing the environmental impact on the surface.In this paper, the time-dependent deformation characteristics of gangue under different stress levels were obtained by using lateral confinement compression, that reliably represents the compaction of goaf.The viscoelastic foundation model for gangue mechanical response is different from the traditionally used elastic foundation model, as it considers the time factor and viscoelasticity. A mechanical model using a thin plate on a fractional viscoelastic foundation was established, and the roof deflection, bending moment, time-dependent, viscous and other characteristics of SBM were included and analyzed.Compared with the existing elastic foundation model, the proposed fractional order viscoelastic foundation model has higher accuracy with laboratory data. The plate deflection increases by 50.9% and the bending moment increases by 37.9% after 100 days, which the elastic model would not have been able to predict.     

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.     

Static solution on four-region spherial cavity expansion model in a pressure sensitive medium

Spherical cavity expansion model is often used to study the mechanic characteristics of pressure sensitive mediums. The most important one we do in the paper is that we construct a four-region model with σθ≠0 in damage region,which is different from what Satapathy did before and is more reasonable. By adopting this model,different constitutive equations were constructed by different method-elastic mechanics in elastic region,damage mechanics and fracture mechanics in damage region,and macro-micro mechanics theory in plastic region. Then using Durban's self-similarity assumption,the control differential equations with boundary conditions were established,and the static numerical solution of stress field and displacement field in the three different regions of elastic,damage and plastic area were discussed respectively. Results showed that this four-region model can describe precisely the mechanic characteristics of pressure sensitive mediums under initial pressure.     

计算断裂力学研究的现状与进展

论述了计算断裂力学的一些主要数值法的研究和应用现状及它们的特点，计算断裂力学在弹性断裂问题中研究现状及目前主要的研究方向；断裂动力学问题中数值研究的进展及有待深入研究的问题；韧性断裂计算力学研究中急待解决的问题及其研究的广阔领域。     

沥青混合料粘弹性参数及其应用

为确定沥青混合料的粘弹性参数,在10,5,0,-5,-15,-20,-25,-30 ℃下进行了应力松弛试验,采有Maxwell摸型,运用粘弹性力学相关理论对沥青混合料的粘弹性参数测定方法进行了分析,提出了该测定方法的数学模型,并用Origin软件进行了计算求解.分析指出,用累计耗散能可分析沥青混合料的疲劳破坏,累计耗散能与疲劳寿命之间存在唯一的关系,其它因素如试验方法、加载频率、加载模式、温度等对其影响不大.最后简要说明了累积耗散能的求解方法.     

受弹性外层约束的厚壁球壳黏弹性解析解

在弹塑性力学中,厚壁圆球的弹塑性分析是著名的拉梅(Lame)问题之一,将其推广到黏弹性材料,推导出外表面受弹性约束的黏弹性球壳解析解,得到了球壳的径向应力、环向应力和径向位移的表达式,求出突然施加内压时的应力瞬态值和当时间趋于无穷时的位移稳态值,并结合算例讨论了各参数的影响.