骨组织工程支架材料及其力学性能

骨组织工程的研究是组织工程最为活跃的领域之一,如何制备理想的骨支架材料是当前的一个研究热点.通过人们的努力,目前已有多种骨组织工程支架材料问世.综述了各类骨组织工程支架材料的优缺点,对比了它们的力学性能,并对骨组织工程的前景进行了展望.     

有机纤维与聚合物复掺改性水泥砂浆力学性能研究

要 在固定水灰比为0.35条件下,分别研究了聚酯纤维、聚合物丁苯乳液单掺与复掺时对水泥混凝土抗压抗折强度、折压比的影响.结果表明:单掺聚酯纤维在一定掺量下可以不同程度地提高水泥砂浆的抗压抗折强度,折压比随着聚酯纤维含量的增加呈先减小后增加的趋势;单掺聚合物乳液降低了水泥砂浆的抗压强度,而折压比则随聚合物乳液掺量增加呈现逐步变大的趋势;聚酯纤维与聚合物乳液复掺时,聚合物乳液的掺入使聚酯纤维混凝土的抗压强度出现小幅降低,增强了其抗折强度,提高了其折压比,当纤维体积掺量为0.1％、聚灰比为15％时,聚酯纤维聚合物水泥混凝土的柔性最大;纤维-聚合物复掺能够使其性能得到进一步改善,效果优于两者的单掺效果.并通过扫描电镜探讨了聚酯纤维与聚合物乳液在水泥砂浆中的作用机理,表明两者复掺有效填充了水泥基材料内部的宏观与微观缺陷,提高了界面过渡区的密实程度.     

碳纳米管力学性能分析的分子结构有限元模型

基于分子结构力学理论,将C—C共价键等效比拟为空间梁单元,利用ANSYS的二次开发工具APDL语言编程创建能够恰当模拟碳纳米管原子间相互作用势的分子结构有限元模型,应用该模型详细研究碳纳米管在简单拉伸和纯扭转时的力学性能及其尺度效应,即手性角和管径变化对碳纳米管杨氏模量、泊松比和剪切模量的定量影响。计算结果表明,杨氏模量和剪切模量与大部分相关文献的结果吻合,但泊松比的数值结果和尺度依赖性规律在国内外文献中尚未获得统一观点,且在弹性模量、泊松比和剪切模量之间未发现明确的定量关系。     

三维多向编织复合材料宏细观力学性能有限元分析研究进展

三维多向编织复合材料综合力学性能优异,有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望,为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。     

SiC颗粒整形对高体分铝基复合材料力学性能的影响及有限元模拟

采用流化床气流磨法对平均粒径为65μm的国产磨料级碳化硅(SiC)颗粒进行整形,然后采用无压浸渗法制备高体分SiC_p/Al复合材料,研究颗粒整形对复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明:经整形处理的SiC颗粒更趋近于球形,平均粒度降至52μm,堆积密度由1. 577 g/cm~3提升至1. 846 g/cm~3,复合材料中SiC颗粒体积分数从53. 27%提升至61. 09%,这是复合材料力学性能提升的主要原因。相应地,材料抗弯强度从376 MPa提升至431 MPa,弹性模量从196 GPa提升至219 GPa,材料抵抗微小变形的能力更强。有限元分析结果表明,整形态复合材料在受力过程中应力和应变分布更均匀,局部应力集中现象不显著。     

有机改性蒙脱土的制备及其对聚乙烯-聚苯乙烯相态和力学性能的影响

利用Gemini表面活性剂对蒙脱土进行插层改性制备得到有机改性蒙脱土（OMMT）,采用溶液混合法制备了OMMT/聚苯乙烯（PS）母料,将OMMT/PS母料与聚乙烯（PE）熔融共混制备得到OMMT/PS-PE复合材料。研究了蒙脱土的插层改性对OMMT/PS-PE复合材料相形态和力学性能的影响。对OMMT进行FTIR、XRD、TG表征,结果表明Gemini表面活性剂成功插层进入蒙脱土层间。通过SEM和电子万能试验机研究了OMMT/PS-PE复合材料相结构、分散相粒径的及相态与力学性能之间的关系。结果表明,随着OMMT含量的增加,PS分散相的粒径逐渐减小;当OMMT含量为2.5wt%时,OMMT/PS-PE复合材料的相形态由“海-岛”转变为双连续结构。与未添加OMMT的PE-PS树脂相比,OMMT/PS-PE复合材料弯曲模量和断裂伸长率显著提高,分别提高了约18%和近50倍。      

基于细观有限元方法的复合材料横向力学性能分析

横向断裂是制约复合材料结构设计的关键点,传统细观模型因为不能充分考虑组分性能、体积分数和纤维形状及分布情况而不能有效预测材料横向力学性能。采用改进的随机序列吸收算法建立具有随机纤维分布的复合材料代表性体积单胞模型,考虑基体破坏和界面脱粘两种失效模式和固化过程中产生的残余应力,对模型在横向拉、压、剪3种载荷下的力学行为进行仿真计算。分析了不同界面强度对复合材料力学性能的影响规律。仿真结果与实验数据对比表明:横向模量预测误差在7%以内,压缩和剪切的强度误差在8%以内,结果一致性较好,表明该模型能够有效预测复合材料横向力学性能。     

析出相对锆基非晶复合材料组织和力学性能的影响

利用铜模吸铸法制备(Zr0.72Cu0.28)100-xAlx(x=0,2,4,6,8,10,12和14)合金棒状试样,研究了合金的非晶形成能力和析出相与力学性能之间的关系。结果表明,随着Al含量增加,非晶形成能力提高;析出相体积分数和尺寸减小,分布更加均匀;综合力学性能逐渐提高,x=12时抗压强度和塑性应变均达到最高值,分别为1 773MPa和7.45%。     

核壳网络结构钛氮合金力学性能有限元模拟

利用有限元软件ABAQUS建立不同核壳占比的二维模型,采用von-Mises屈服准则来描述核壳网络结构钛氮合金材料的屈服行为,进而对不同核壳占比的核壳网络结构材料进行拉伸和压缩应力-应变曲线模拟。结果表明拉伸和压缩所得到的应力应变曲线图一样。随着核半径从1 mm增加到3 mm(相当于核的百分比),核壳网络结构材料的屈服强度增大。当应变率为3%时,核壳网络结构材料发生屈服现象,从而进入塑性阶段。     

起圈织物增强层合板层间力学性能有限元分析与实验研究

建立了一种起圈织物增强层合板的平拉单胞模型,通过有限元计算预测其平拉强度。研究起圈织物增强层合板的复合成型工艺,制作了符合要求的实验件。对该种材料的短梁剪切、平拉、双面剪切性能进行了实验研究,获得了该材料主要层间力学性能参数,并与传统复合材料层合板的力学性能进行了对比,得出了一些有益的结论,为该材料的性能分析和结构优化奠定了基础。     

磷酸二氢钾(KDP)晶体纳米压痕过程的有限元分析

为了求得KDP晶体的应力-应变曲线以及材料的屈服应力,基于圣维南定理和实验得到的材料性能参数建立了KDP晶体的压痕过程仿真模型,利用ABAQUS有限元分析软件对KDP晶体压痕过程进行了有限元仿真,得到了KDP晶体的载荷-位移曲线和加/卸载过程中的等效应力变化规律.仿真结果表明:加载过程中最大应力集中在压头尖角处,卸载后最大应力分布在压头棱边所留下的压痕处,KDP晶体材料的屈服应力为120MPa.     

自修复微胶囊复合材料的制备及力学性能研究

为了提高树脂基复合材料的使用寿命,以脲醛树脂为壁材,双环戊二烯为囊芯,通过原位聚合法制备了内含修复液的微胶囊,探讨了反应过程中脲醛量比及乳化剂用量等对微胶囊表面形貌和结构的影响.通过优化工艺条件制备出表面致密的微胶囊,并将微胶囊埋植在环氧树脂基体中制备复合材料.采用扫描电镜对胶囊进行形貌表征,运用快速傅里叶变换红外光谱...     

Finite element analysis of forces of plane cutting of cortical bone

Bone cutting is an essential part of orthopaedic surgery when bone is fractured or damaged by a disease and is used for pins insertion and plates fixation. A finite element model of bone cutting is developed and compared with experimental results. The model allows the interaction between the bone and cutting tool to be studied, hence enabling the evaluation and optimization of the cutting procedure. Results of finite element simulations are obtained for the cutting force as a function of cutting parameters. A strong dependence of cutting parameters on the cutting force was found and described in this paper.     

Variability of the mechanical properties of bone, and its evolutionary consequences

The relative variabilities (coefficient of variation (CV)) of 10 different mechanical properties of compact bone were determined from 2166 measurements. All measures of variability were made on a minimum of four specimens from any bone. Three pre-yield properties had a CV of about 12%. Six post-yield properties had CVs varying from 24 to 46%. Pre-yield properties increase as a function of mineral content, whereas post-yield properties decrease. These differences give insight into mechanical phenomena occurring at different stages during loading. Furthermore, the fact that some properties are more tightly determined than others has implications for the optimum values set by natural selection. This assertion is made more rigorous using a simple mathematical model for the evolutionarily optimal allocation in a trade-off where one property is imprecisely determined. It is argued that in general the optimum will be biased in favour of the more tightly determined properties than would be the case if all properties had the same CV.     

Non‐linear finite element analysis of mechanical electrochemical phenomena in hydrated soft tissues based on triphasic theory

The well‐accepted triphasic theory for modelling the mechano‐electrochemical phenomena of charged hydrated soft tissue has been limited to infinitesimal deformation problems due to the difficulty of defining a common reference configuration for the whole tissue. In this paper, an imaginary reference configuration for soft tissue under large deformation is established based on the reference configuration of a solid matrix and a Piola transformation of the relative velocities of the fluid and ionic phases. A non‐linear finite element analysis formulation is proposed by applying a weighted residual method to the reformulated governing equations of triphasic theory reformulated in the imaginary reference configuration, with the displacement of the solid, fluid flows, ionic molar flows, hydrostatic pressure, and electrical potential as the unknown variables. After verifying the proposed finite‐element formulation by comparing the results of a linear‐confined compression problem with those obtained by the finite difference method, the numerical analysis of a three‐dimensional free‐swelling problem of articular cartilage with large deformation, and a strong non‐linearity in the material properties is carried out to reproduce the curling behaviour of articular cartilage strips in vitro when submerged in solution baths of various concentrations. The results obtained by finite element analysis are in agreement with those measured experimentally. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

铺层顺序对预成型体搭接复合材料拉伸性能影响的仿真与验证

使用有限元理论模拟分析了几种不同铺层顺序的预成型体搭接复合材料的拉伸性能,并且使用国产碳纤维与快速固化环氧树脂制备相应的单下陷搭接试样,测试其搭接接头的拉伸性能,对有限元计算结果进行了验证。结果表明,使用有限元计算与实验方法得到的结果基本相符。有限元模拟及实验验证发现不同铺层结构的预成型体搭接复合材料有两种不同的破坏损伤模式。搭接上层板的层间剥离强度与层板本身弯曲性能共同决定了搭接接头的破坏模式及拉伸性能,两者中强度较弱的先发生破坏,导致试样失效。在预成型体搭接接头中,0°铺层越靠近搭接面,对搭接性能的影响越明显,搭接强度越高。搭接界面处纤维层之间的相对角度不同,纤维铺层刚度不同,刚度差别越大,搭接强度就越低。     

三维整体中空复合材料压缩性能的有限元分析

利用有限元软件ANSYS, 建立了三维整体中空复合材料结构模型, 进行压缩力学性能分析。利用该模型, 以芯材高度、 芯材密度和材料特性(弹性模量)为参数, 详细研究了其对材料压缩性能的影响, 并对其影响特征进行了分析和讨论。结果表明: 三维整体中空复合材料在受压状态下, 芯材与上下面板相接处应力最大, 最容易发生压缩破坏; 材料的压缩性能随着芯材密度、 材料弹性模量的增加而提高, 随着芯材高度的增加而下降。该研究结果可为整体中空复合材料的结构优化提供参考。      

液体垫片对复合材料单搭接螺栓接头力学性能的影响

复合材料构件由于存在制造误差,装配时常常产生间隙,消除间隙的一种基本手段是向其中填充液体垫片。以复合材料单搭接螺栓连接接头为研究对象,设计了拉伸实验,选取一种改进的失效准则与对应的材料退化准则建立了渐进损伤有限元分析（FEA）模型,在此基础上研究了液体垫片对复合材料单搭接接头强度、刚度等力学性能的影响及复合材料孔内损伤演化的过程,此外还研究了液体垫片孔边的应力-应变状态。由实验与有限元结果可以得出：随着液体垫片厚度的增加,接头的拉伸刚度与峰值载荷均有所降低;相同载荷下复合材料孔内损伤加剧,孔内单元产生初始损伤时对应的载荷降低;但液体垫片厚度的增加可以降低垫片孔边的应力与塑性应变峰值,并使其分布更加均匀化,改善液体垫片孔边受力状态。