Comparison of methods for determining orthotropic axes in 3D femur remodeling

The density distribution and internal structure of trabecular bone are modulated by local mechanical environment. In this study, an orthotropic adaptation algorithm was applied to the 3D femur model to simulate the variations of stiffness and orientation of trabecular bone under multi-loading conditions. This algorithm includes the determination of orthotropic axes and the stiffness modification of trabecular bone. Three methods were used to determine the orthotropic axes, i.e. the maximal cycle method, the stress maximum method, and the composite method. We found that the composite method was better than the other two. Firstly, the characteristics of density distribution obtained by using the composite method agreed better with those in real proximal femur. Secondly, the material orientation aligned with the known trabeculaer pattern. Finally, the ratios of the longitudinal modulus to the transverse modulus were also shown to be realistic in three local regions of the proximal femur.     

用正交异性算法仿真的肌力对股骨再造的影响

肌力与骨骼的生长(即"骨再造")有密切关系。该文基于CT数据建立股骨有限元模型,用正交异性算法仿真了肌力对骨再造的影响。骨再造仿真中,由复杂到简单共设置三组肌力载荷工况,使用正交异性算法结合有限元分析。结果表明,复杂肌力比简单肌力的仿真结果更符合股骨的真实密度分布和结构。肌力可以在一定程度上调节局部骨量大小和骨小梁的排列,对股骨近端影响较大,对中端和末端影响较小。对肌力做适当的简化不会影响骨密度分布和内部结构,但过于简化的肌力将显著影响局部骨量大小和骨小梁排列方向。     

Anabolism. Low mechanical signals strengthen long bones

Although the skeleton's adaptability to load-bearing has been recognized for over a century, the specific mechanical components responsible for strengthening it have not been identified. Here we show that after mechanically stimulating the hindlimbs of adult sheep on a daily basis for a year with 20-minute bursts of very-low-magnitude, high-frequency vibration, the density of the spongy (trabecular) bone in the proximal femur is significantly increased (by 34.2%) compared to controls. As the strain levels generated by this treatment are three orders of magnitude below those that damage bone tissue, this anabolic, non-invasive stimulus may have potential for treating skeletal conditions such as osteoporosis.     

基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。     

基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。     

桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响

钢桥面板厚度小,铺装层的相对刚度较大,钢桥面板疲劳设计时,应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移,采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。     

基于煤岩割理正交各向异性的煤层气渗流模型研究

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了煤岩割理正交各向异性数学模型,通过引入煤岩弹性模量折减系数有效地解决了渗透率模型中煤岩割理刚度较难确定的问题。基于该模型对鄂尔多斯盆地东部煤层单井产能进行了模拟计算,分析了割理渗透率正交各向异性系数、煤层厚度、煤层孔隙度和含气量等参数对煤层单井产能的影响规律。计算结果表明：煤层气单井产能随着渗透率正交各向异性系数、煤层厚度和含气量增加而增大,随着煤层孔隙度的增加而减小。     

正交异性椭圆薄板和叠层板的大挠度弯曲

本文采用摄动法,以中心挠度为摄动参数,研究了固定支承的正交异性椭圆薄板和叠层板在均布载荷作用下的大挠度弯曲。并以石墨/环氧纤维增强复合材料为例对各种长、短轴比值F的薄椭圆板和对称正交铺设叠层椭圆板(包括圆板和无限长板)作了数值分析。     

长骨纵向缺损对其扭转刚度和应力分布影响

为研究临床上开窗对长骨力学性质的影响，建立了一个股骨中段的外侧皮质带有矩形缺损的力学模型；采用有限元方法，计算了骨缺损的宽度为股骨外径(D)0．1～0．3倍、长度为股骨外径1～5倍时．股骨的扭转刚度和应力分布．计算结果表明：骨缺损长度为D时．对股骨扭转刚度和剪应力分布的影响较小；骨缺损长度从2D增至4D时扭转刚度急剧减小．而且剪应力的最大值位于骨缺损中心．研究认为临床骨科手术中长骨开窗的尺寸应控制在小于3D～4D．且术后应避免长骨承受扭转力的作用．     

变厚各向异性高速旋转圆盘在温度场作用下的振动问题摄动分析

本文研究了变厚度变密度各向异性高速自由旋转薄圆盘在温度场作用下的受力及振动特性。采用Frobenius法求出了圆盘面內位移及应力的级数解。通过摄动分析和加权积分,得到了圆盘横向振动固有频率的渐近解。文中还以纤维增强复合材料为例进行了实际计算。     

老年雄性大鼠部分衰老指标测定的研究

目的定量研究老年雄性大鼠部分衰老指标的增龄性变化。方法测定不同月龄SD雄性大鼠血清T-SOD活性及MDA含量、血浆E2及T的含量、脑组织M受体结合容量以及左侧股骨近段、中段、远段的骨密度和右侧股骨的弯曲断裂载荷。结果30月龄雄性大鼠血清T-SOD活性和血浆E2、T含量明显低于6月龄雄性大鼠(P<0.01);30月龄雄性大鼠血清MDA含量明显高于6月龄雄性大鼠(P<0.01);30月龄雄性大鼠脑组织M受体结合容量和股骨各段骨密度及弯曲断裂载荷明显低于24月龄雄性大鼠(P<0.05)。结论30月龄雄性大鼠已显著衰老,雄性大鼠脑衰老与骨衰老有关。     

复合材料多层板边缘效应起因分析

为分析引起复合材料多层板自由边沿效应与端部效应的物理因素,分别研究了弹性模量、泊松比和上下两层材料主轴方向夹角时对自由边沿效 应的影响,给出了相应的三维有限元层间应力解及其三维分布图。结果表明,弹性模量和上下两层材料主轴方向夹角使层合板上下两层变形不一致,引起多层板自由边沿效应与端部效应,其泊松比是直接影响因素。     

玄武岩纤维与高模量外掺剂复合增强沥青混合料性能

为优化玄武岩纤维高模量沥青混合料的配比,改善其路用性能,采用响应曲面法对玄武岩纤维高模量沥青混合料的配合比进行优化设计,利用马歇尔试验、浸水汉堡车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验对优化后的玄武岩纤维高模量沥青混合料性能进行分析,并通过扫描电镜（SEM）对沥青混合料破坏断面的微观形貌进行试验观测,尝试揭示玄武岩纤维与高模量外掺剂的复合增强机理。研究表明：利用响应曲面法得到玄武岩纤维高模量沥青混合料的最佳配比为0.44%高模量剂、0.45%玄武岩纤维和最佳油石比为4.98%;在最佳配比状态下进行路用性能试验得知混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均有较大提升;利用扫描电镜观察到玄武岩纤维在高模量剂作用下能起到较好的加筋及分散应力的作用,且最佳配合比状态下的玄武岩纤维在高模量沥青混合料中分布较为均匀。     

均布荷载作用下四边简支预制带肋底板混 凝土双向叠合板的简化弹性计算方法

预制带肋底板混凝土双向叠合板（简称双向叠合板）呈正交构造异性板特征,工程设计不能直接沿用现浇板的查表法进行弹性计算.针对正交构造异性特征影响的均布荷载作用下四边简支双向叠合板的弹性计算,采用正交构造异性板理论求解挠曲面基本微分方程,得到了挠度及弯矩表达式,通过形式变换,引入等效跨度比,将双向叠合板等效为双向同性板进行计算,提出了双向叠合板的简化弹性计算方法.通过编程计算得到强、弱方向刚度比为2和0.5时不同跨度比下双向叠合板的跨中弹性系数,与基于等效跨度比查双向同性板得到的弹性系数进行了对比,结果表明本文方法准确可行.     

补肾壮骨颗粒对维甲酸致骨质疏松大鼠骨组织计量学的影响

目的研究补肾壮骨颗粒对维甲酸致骨质疏松大鼠骨组织计量学的影响,探讨补肾壮骨颗粒防治骨质疏松症的机制。方法实验选用3月龄SD大鼠,按体重随机分为5组:正常对照组、骨质疏松模型组、补肾壮骨颗粒高低剂量组、仙灵骨葆阳性对照组。各组大鼠上午均灌胃给予维甲酸2周,造模同时下午按上述剂量灌胃给予受试药3周,末次给药后晚上禁食,次日以10%水合氯醛腹腔注射麻醉动物,腹主动脉放血处死动物后取左右胫骨,并去掉附着的软组织,放入10%福尔马林中固定,移入10%EDTA溶液中脱钙,再转入酒精内脱水,石蜡包埋,切片并行H-E染色。在光镜10×10倍视野下应用高清晰度彩色病理图文分析系统对胫骨上段松质骨的骨组织作静态测量并计算骨小梁面积百分数、骨小梁厚度、骨小梁数量和骨小梁分离度(取切片中心部的五个视野测量并取其平均数),观察胫骨上段病理形态学变化。结果与正常对照组相比,模型对照组大鼠的胫骨近端骨松质骨小梁面积百分数及厚度减少,骨小梁数量及分离度增加,有统计学意义(P<0.01),说明造模成功;与模型对照组相比,补肾壮骨颗粒组胫骨近端骨松质的骨小梁面积百分数及厚度增加,骨小梁数量及分离度减少,有统计学意义(P<0.01)。结论补肾壮骨颗粒能减少维甲酸通过激活破骨细胞所引起的骨丢失,改善骨小梁的形态,起到防治骨质疏松症的作用。     

复合材料路面板弹性等效模型

利用弹性力学的刚度等效原理,将结构复杂的复合材料路面板简化为材料均匀的正交异性板,建立弹性等效模型,为此类问题的具体分析提供一种简明规范的方法。利用弹性力学理论,首先计算出中间方形管粘结板的各向刚度,将其等效为相同尺寸的正交异性板,由刚度相等,推导出了等效板的杨氏模量、切变模量和泊松比等结构属性的计算公式;在此基础上,将整个路面板等效为正交异性板,建立了等效板的材料属性公式化计算模型;最后,选用一块具体的路面板,利用有限元分析软件ANSYS,建立路面板和等效板的有限元模型。结果表明:从均布荷载作用下两模型的变形比较图可以看出,路面板模型的最大变形为-14.73 mm,等效板模型最大变形为-13.97mm,两者相差5.2%。由于等效板模型对变形作了一定假定,引起板刚度增大,所以计算出的位移减小,其误差是可以接受的,由此证明了弹性等效模型是正确的。     

高层复合墙板结构体系地震反应分析

为把混凝土灌芯纤维增强石膏板应用到高层结构中,选定了墙板厚度类型,并采用材料力学的方法把其简化为正交各项异性板,获得其等效弹性常数,引用Hill屈服准则来建立其本构关系．采用振型分解反应谱法和时程分析法对基于此板型的复合墙板结构体系的高层结构进行弹性和弹塑性分析,计算表明此结构具有足够的刚度和抗侧移能力．并将复合墙板结构与钢筋混凝土剪力墙结构的动力反应特性进行了比较,结果表明复合墙板结构具有优于钢筋混凝土剪力墙结构的抗震性能．     

考虑双模量影响的复合材料销钉连接失效分析

摘要： 针对复合材料层压板销钉连接结构连接特性,提出一种考虑双模量影响的破坏载荷的数值模拟方法.考虑复合材料在拉伸和压缩应力状态下弹性模量的不同,根据材料所处应力条件选择适当的刚度矩阵,以三维Hashin准则作为单向复合材料层压板的失效判据,采用Camanho的刚度折减模型,将3组不同厚度和铺层的复合材料层压板破坏载荷的试验结果与考虑双模量影响和仅用拉伸模量的有限元模拟结果进行对比.结果表明,考虑双模量影响的有限元模型能够更加准确地预测最终层压板销钉连接结构的破坏载荷.     

桥面构造及铺装层对正交异性钢桥面板力学性能的影响

为研究桥面细部构造和桥面铺装对正交异性钢桥面板力学性能的影响,确定合理的构造,以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋与多种缺口形式的横隔板相组合形成正交异性钢桥面板结构体系,并铺设不同厚度、不同弹性模量的沥青混凝土铺装层,建立相应的有限元实体模型进行加载,分析纵向加劲肋截面形状、横隔板缺口形式及铺装层弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板力学性能的影响规律。结果表明:加劲肋上口间距越小,改善桥面板受力性能越明显,其中加劲肋B(梯形加劲肋侧板与底板采用圆弧连接)受力性能较好,且用料少;缺口Ⅰ、缺口Ⅲ的应力集中情况好于缺口Ⅱ,因此应合理选用缺口Ⅰ和缺口Ⅲ,但缺口Ⅲ需要优化;顶板与纵向加劲肋连接处应力高,为力学性能敏感区域;铺装层弹性模量增加,钢桥面板最大主应力减小,铺装层厚度增加,钢桥面板和沥青表面最大主应力均减小,因此铺装层弹性模量与厚度要综合设计,以使钢桥面板受力性能最优。     

基于K近邻和多类合并的密度峰值聚类算法

针对密度峰值聚类（DPC）算法在处理结构复杂、 维数较高以及同类中存在多个密度峰值的数据集时聚类性能不佳的问题, 提出一种基于K近邻和多类合并的密度峰值聚类（KM-DPC）算法. 首先利用定义的密度计算方法描述样本分布, 采用新的评价指标获取聚类中心; 然后结合K近邻思想设计迭代分配策略, 将剩余点准确归类; 最后给出一种局部类合并方法, 以防将包含多个密度峰值点的类分裂. 仿真实验结果表明, 该算法在22个不同数据集上的性能明显优于DPC算法.