两构件冲击接触过程的理论与数值模拟

该文采用基于赫兹理论的非线性阻尼弹簧接触模型,分别模拟特殊形状和材料的两构件间弹性、超弹性和弹塑性冲击接触过程,数值计算结果仅为有限元结果的50％.根据有限元计算结果对非线性弹簧阻尼模型进行修正,得到两构件弹性、超弹性和弹塑性冲击接触的接触力、最大变形量和冲击作用时间修正表达式.结果显示,修正模型与有限元模型的误差小于5％,采用修正模型能够方便地得到冲击过程中的相关参数,该模型可作为描述两构件冲击过程的数值计算手段.     

基于CT图像颈椎有限元模型的建立及验证

针对目前在颈部损伤机理的研究中尚未有适合中国人体型特点的全颈椎有限元模型的情况,采用CT技术获取中国50百分位人体颈椎数据,并以此建立了全颈椎有限元模型.模型采用映射网格划分方法对松质骨、椎间盘和韧带等结构进行了划分,利用现有的颈椎材料参数进行比例和功能缩放来定义稀缺的材料参数.整个模型共有22 512个实体单元,14 180个壳/膜单元,模型解剖结构描述细致、准确.最后通过颈椎离体坠落试验对模型的有效性进行验证,验证结果表明,该模型具有良好的生物逼真度,可应用于研究国人颈椎在汽车碰撞事故中的动态响应和损伤机理.     

链传动啮合冲击理论分析及有限元模拟

啮合冲击是引发链传动产生振动、噪声以及链条零部件发生疲劳损坏的主要原因,因此,精确地分析与计算啮合冲击载荷是进行轮齿强度计算以及链传动系统动力学研究的重要内容.为此,建立了链轮轮齿滚子间啮合冲击动力学模型,计算了啮合冲击力幅值;采用赫兹接触理论,对齿面接触应力进行了静态条件下的理论计算;建立了套筒滚子链传动系统有限元模型,采用三维弹性接触问题有限元分析方法,对轮齿滚子间的啮合冲击效应进行了精确模拟,分析了具有标准齿廓形状轮齿滚子瞬时啮合时,冲击载荷变化规律及应力分布情况.计算结果表明:在动态条件下轮齿滚子作为弹性体发生冲击接触时,接触区域变形并非理想的长方形区域;轮齿齿面的冲击接触力分布是不均匀的;在理论接触区域两侧冲击应力较大;在考虑了链轮齿形、间隙及弹性变形等多种影响因素的条件下,动态冲击载荷远大于静态条件下的理论计算值.     

飞机壁板结构战伤的动力有限元仿真

根据已有实验方案分别建立了离散杆和射弹高速冲击飞机壁板结构的有限元模型,利用显式动力有限元计算程序进行了冲击损伤仿真。仿真得到的壁板损伤模式及尺寸结果与相应实验结果比较吻合,验证了仿真选用的Johnson-cook材料本构模型和Gruneison状态方程参数以及侵蚀接触算法的可靠性。     

基于冷冻切片的下颈椎C4～C7段有限元建模及验证

为了进行颈椎生物力学深层研究,提出了基于冷冻切片图像建立人体下颈椎三维有限元模型的方法.采用逆向工程手段,构建了具有皮质骨、松质骨、椎间盘、小关节面等复杂结构的颈椎多节段模型.通过施加生理载荷,模拟颈椎前屈-后伸、侧弯、扭转以及轴向压缩等受力状态.结果表明,模型具备了较高精度的解剖学结构和形态学结构,其有效性也得到了验证,能够用于更为复杂的颈椎生物力学研究.     

中国人颈椎间盘尺寸分析

为了给基于中国人骨骼特征的人工颈椎间盘假体关键尺寸设计及人工颈椎间盘置换术假体型号选择提供理论参考,该文制定了一套严格的颈椎间盘尺寸测量方法,利用正常中国人颈椎磁共振成像(MRI)数据,测量1 600例中国人颈椎C23、C34、C45、C56、C67全5个颈椎间盘的6项尺寸参数(前高、中高、后高、椎间角、矢径、横径),统计分析中国人颈椎间盘尺寸特点。结果显示:正常中国人颈椎间盘高度随年龄的增加出现先增加后降低的趋势,在年龄组39~48岁存在极大值。颈椎间盘节段自上而下,6项尺寸参数值均相应增大,且除椎间角呈指数规律变化外,其他各参数均具有明显的线性相关性。同时,女性颈椎间盘各项尺寸约为男性相应尺寸90%。     

人体颈椎C7退变性的有限元分析与实验研究

人体颈椎的退变性病变是医学研究的一个重要方面。该文采用数字散斑相关方法(DSCM)对人体颈椎C7及其下位椎间盘进行了动态测试,得到变形演化的全过程。同时采用CT图像完成了颈椎C7的三维重建,建立了有限元分析模型进行退变性和正常条件下的计算。结果表明:在同等外载条件下,退变型颈椎的最大位移和应变水平分别增加42%和134%,最大应力水平下降24%,显示颈椎的退变性将极大地削弱颈椎的抗变形和承载能力。有限元分析和散斑实验结果均显示终板及其附近存在应力集中,有限元分析和散斑实验结果的相符表明了两种方法在生物力学研究方面的可行性。     

基于层间接触的空心板梁及桥面铺装在双轴移动荷载下的力学响应分析

目的研究考虑铺装层间接触的桥面铺装及空心板梁在双轴移动荷载下的受力状态,以解决混凝土桥梁在桥面铺装设计时对铺装层之间的关系状态考虑不全面的问题.方法采用ABAQUS有限元软件建立含有沥青铺装层、粘结层、混凝土调平层、空心板及铰缝的数值模型,利用子程序模拟行车移动载荷,设置库仑接触摩擦建立层间接触,考虑不同荷位、层间摩擦系数对空心板梁及桥面铺装的影响.结果铺装层间最大水平接触力出现在梁端区域;铰缝与空心板的挠度相差10%,应力在轮载附近处变化较大;沥青铺装与粘结层间接触摩擦应力为0.209 3 MPa,大于混凝土铺装与粘结层间接触摩擦应力0.156 MPa;连续模型与接触模型的应力最大差值达4.5倍.结论不同结构层间界面薄弱,易发生剪切破坏;为防止板与铰缝间发生剪切破坏,可加强轮载附近处板与铰缝的连接;采用不同措施处理各层之间的粘结,可使经济效益最大化;将铺装层视为连续体考虑不周,层间接触假定更符合实际情况.     

研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证

建立并验证了一个基于人体解剖学结构的头颈部三维有限元模型．该模型由颅骨、脑、颈椎骨、椎间盘、肌肉、韧带和小关节组成,总节点数为17758,单元数21803,模型生物材料特性分别用弹性和粘弹性模型描述．整个头颈部模型应用关国海军生物力学实验室前碰撞志愿者实验及查尔摩斯大学后碰撞滑车实验的数据进行了验证．采用该模型计算了头颈部的加速度、角速度等运动曲线及HIC值．验证结果显示该模型具有较好的生物逼真度,可用于研究在汽车碰撞事故中头颈部损伤生物力学问题和开发损伤防护装置．     

基于内聚力模型的夹层玻璃梁冲击破坏过程仿真

为了模拟夹层玻璃梁的冲击破坏过程,基于有限元中常用的内聚力模型的基本概念,提出了适用于三维球形离散单元的破坏模型.该模型将离散单元之间的作用分为连接型、内聚型和接触型3类.当两离散单元间满足破坏准则时,它们之间的作用由连接型变为内聚型,内聚力由离散单元之间的分开量求出.将该破坏模型在自主开发的离散元/有限元耦合计算程序CDFP中实现,并仿真了夹层玻璃梁的冲击破坏过程,得到了与试验结果相近的破坏形式,说明了该破坏模型和仿真分析方法的有效性.     

人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学仿真

利用有限元法评估人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学效果.基于CT图像数据建立腰椎L2~L5节段有限元模型,并在此基础上建立人工腰椎间盘置换和椎间融合2种手术模型.对有限元模型施加模拟生理载荷,计算两种手术模型各节段椎间活动度和小关节接触应力.仿真结果表明:相比椎间融合术,人工腰椎间盘置换术在手术节段产生了明显的运动保留功能,但置换节段在后伸和侧弯工况下活动度比正常腰椎增大40.9%和43.1%,易引起手术节段的轻度失稳;人工间盘置换术改善了上下邻近节段小关节的受力状态,但置换节段在扭转工况下会引发较高的小关节接触应力.     

后冲击下人体胸部动力学响应分析

为研究后碰撞过程中人体胸部的损伤情况,基于人体解剖学构建了人体胸部有限元模型,模型包括胸椎、椎间盘、肋骨、肋骨软骨、胸骨、锁骨、肩胛骨、肌肉和韧带等人体组织.通过后碰撞仿真模拟,研究了胸部组织的应力及应变变化情况.结果表明:在后碰撞过程中,胸椎T1、胸椎T2和胸椎T3的应力和应变较大,可能发生椎体骨折;第一肋骨到第三肋骨的损伤可能较大,容易发生骨折;T1–T2、T2–T3和T3–T4之间的椎间盘应力较大,可能产生椎间盘突出等损伤.     

自动生成颅脑冲击响应的图像三维有限元分析

本文用三维有限元方法分析颅脑在气流冲击载荷作用下非线性动力学响应问题,用核磁共振颅脑断层图像输入计算机,采用 Ｃ Ｔ 图像三维再现软件和非规则形体、有限元网格划分软件进行计算,结果得到人体头部冲击波传递、颅脑损伤容限曲线、延髓损伤等,为宇航、交通事故、司法鉴定创伤判断、临床治疗提供科学依据．     

基于有限元模型的人体损伤脊柱的动态特性分析

为了研究在全身振动情况下损伤脊椎对其相临组织部件的影响,建立了一个腰椎L3-L5段的三维非线性有限元模型.研究对脊椎给予了几种损伤假设,如小关节切除、去髓核和后部结构切除等,并对这几种损伤情况进行了有限元瞬态分析.结果表明,腰椎在振动过程中不仅存在垂直方向的振动还伴随有仰俯运动.脊椎小关节可以限制腰椎仰俯运动的幅度以保护纤维环后部免受大的拉伸和高应力的危害.椎间盘去髓核会导致纤维环上高应力的产生和椎间盘鼓胀增大.在振动过程中,小关节的切除同样可以加速椎间盘的退化.     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解、又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

盘式制动器热弹性耦合分析

探讨了汽车盘式制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性问题及其分析方法.利用有限元分析软件ANSYS 8.1建立盘式制动器热弹性耦合分析的三维有限元模型,确定对模型求解的边界条件、载荷步及模拟工况,研究进行制动器热弹性耦合分析的过程,通过仿真计算得到制动器工作过程中制动盘瞬态温度场、应力场等重要信息.     

盘销系统摩擦尖叫瞬态动力学有限元模型

基于ABAQUS软件建立盘-销系统的瞬态动力学有限元模型,在验证模型正确性的基础上分析了系统的运动状态、摩擦副接触状态、系统能量馈入情况以及非线性频率耦合现象.研究发现:制动盘具有压紧翘曲和高频法向面外振动;销棒呈弯曲为主,扭转为辅的振动模式,且表现为纯滑动的极限环运动;接触压力分布周期性变化,法向力和摩擦力变化引起频率的变化;系统同时存在能量馈入和馈出,但占主要地位的能量馈入维持系统的摩擦尖叫.     

基于Biot理论的腰椎间盘力学响应分析

为考虑腰椎间盘流固耦合作用,基于Biot理论建立了正常人体腰椎间盘L3~L4节段的有限元模型,分析了椎间盘在不同轴向压缩载荷及复合载荷作用下的力学响应,得到了椎间盘不同部分的压力、应力分布规律和比较曲线。结果表明:轴向正压时,外层纤维环压力约为内层的15%,外层最大应力约为髓核应力的4.3倍;椎间盘各部分所受压力随载荷增大近似线性增加,且增加的速率基本相同;应力随载荷增加而增大的速率不同,外层纤维环应力增加最为明显。轴向压缩与扭转载荷组合作用时,纤维环整体应力水平最大,最容易被破坏。