颈椎融合器的力学测试及有限元验证

目的:设计一款聚乳酸材质融合器,完成力学测试并判定融合器的可行性.方法:分别对健康的和植入融合器的C5-C6节段羊颈椎进行压缩、前屈、后伸、侧弯实验,得出载荷-位移曲线,比较融合器植入前后颈椎的力学性能;再用万能电子试验机检验融合器的疲劳强度;最后对融合器进行有限元仿真观察应力分布.结果:加入融合器后颈椎的稳定性有所提高;融合器的疲劳强度合格,应力分布合理,未产生应力集中.结论:聚乳酸材质融合器有足够的力学强度,满足力学要求.     

大口径闸阀阀体强度分析与结构优化

利用有限元软件对楔式闸阀阀体强度进行计算和分析,找出应力集中点,以应力集中处的最大等效应力作为目标函数,以阀座凸台处基本尺寸作为设计变量进行优化设计.得到理论最优的结构尺寸,提高阀体的强度,使阀体的应力分布更加均匀.优化前后结果对比表明优化后的阀体最大等效应力减少16.7%,优化后的阀体性能得到较大改善.     

3D打印骨支架结构设计及其应力分布研究

骨支架的应力集中会导致结构发生开裂或坍塌,严重影响骨支架的承载能力。应力集中容易发生在孔与孔的连接处,因此,孔的形状设计是影响骨支架应力的关键因素。以1 mm×1 mm×1 mm的立方体为基础单元,分别构建了正方形孔、正六边形孔、圆形孔和立方密排单元4种三维模型,通过调整孔径获得不同孔隙率的单元体模型。使用有限元方法对单元体模型进行静态压缩数值模拟,结果表明,孔隙率为36%～66%时,最大应力最小的结构是立方密排结构,分别为5.50、7.18、10.53和15.41 MPa;综合应力分布云图和压缩等效模量图,得出立方密排单元结构的力学性能最好。采用选择性激光烧结技术制备立方密排单元结构的支架,该支架具有较好的抗压强度。     

经椎间孔腰椎间融合三维有限元分析

利用有限元法研究经椎间孔腰椎间融合术(TLIF)中融合器的植入位置角度对椎弓根螺钉固定腰椎运动学和生物力学特性的影响规律.基于健康成年男性腰椎CT影像重建三维模型,再利用有限元软件Hypermesh建立了腰椎L4-L5节段正常有限元模型以及按不同角度(30°,45°,60°)植入融合器的椎弓根螺钉单/双边固定的融合模型,比较分析了各模型在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转生理活动下的腰椎活动范围、融合器与椎间盘上下终板接触界面以及融合器自身应力分布等生物力学特性.结果表明,在相同的生理活动下,融合模型活动范围值均较正常模型大幅降低.融合器和接触界面上应力分布随着生理活动和融合器植入角度不同存在差异.综合考虑生物力学性能和融合节段的稳定性,融合器斜向45°植入配合单边椎弓根螺钉固定为相对较好TLIF术.     

人工椎间盘的研制及其有限元模型的应力分析

自行研制“框架”人工椎间盘（ALDFS）,并建立腰椎运动节段ALDFS置换的有限元模型,研究ALDFS的应力分布.方法：1.从骨组织工程学、脊柱生物力学、材料学和临床循证医学角度设计,采用无磁性的医用钛合金加工制成ALDFS.2.选取一名健康男性志愿者行薄层CT扫描图像,应用逆向工程技术重建腰椎模型.结合ALDFS的三维模型,建立腰椎运动节段ALDFS置换的腰椎模型,然后通过ANSYS12.0转换成有限元模型,最后模拟腰椎节段的运动,研究ALDFS的应力分布.结果：1.ALDFS由三枚自攻自锁螺钉、两端托板和立柱组成ALDFS两端的藕根形仿生学托板由主板和侧板组成.主板是撑起上下椎体的两端带翼的马蹄印形藕根状结构的截面.侧板是在椎体侧面,安装两枚平行自锁固定螺钉,与主板的一枚纵行螺钉在椎体内相互交锁固定假体.2.成功建立腰椎运动节段ALDFS置换的有限元模型,包括77268个单元.ALDFS的分布特点为：1）所有运动状态下,杵臼关节正中部周围区域应力最大;2）立柱和上托板承受的应力为下托板的6～7倍;3）所有运动状态中,正压状态下立柱和上托板正中部周围区域承受的应力最大;4）所有运动状态中,立柱均承受三个方向的力,其中侧弯时Z轴方向承受的力最大.结论：1.AL-DFS的上托板与立柱之间永久性±5～10°的微动,可一定程度上保留椎间盘的功能.2.建立ALDFS三维有限元模型并进行其应力分析是可行的,结果是可信的.     

基于水平集和最大稳定极值区域的颈椎椎体分割方法

颈椎椎体的分割在颈椎图像处理中起着关键的作用,是颈椎病灶确定和辅助诊断的重要基础.针对颈椎椎体边缘特征复杂的特点,提出一种基于水平集和最大稳定极值区域(maximally stable extremal regions,MSER)融合的颈椎椎体分割方法.首先采用基于图像密集度分布的图像分割方法对图像进行粗分割,自动提取颈椎区域;然后采用改进的水平集方法提取出颈椎椎体的前缘轮廓;根据颈椎椎体后缘的局部稳定特征,采用改进的MSER方法提取出椎体的后缘高亮区域,并结合椎体结构特征,采用最小二乘法拟合出椎体的后缘曲线;最后融合颈椎椎体前缘轮廓与后缘曲线,从而提取完整的颈椎椎体.实验结果表明,该方法能有效地分割和提取颈椎椎体,提取的后缘曲线接近专家手工提取的结果,可以为颈椎病的临床诊断提供更客观的诊断依据.     

剖分式卡箍的强度分析与结构优化

通过卡箍危险截面处结构模型,得到卡箍应力计算公式,并在ANSYS Workbench集成开发平台环境下,对卡箍参数化建模,进行优化分析,得到各参数对应力值影响的曲线图,分析各参数对应力值影响程度的大小,使得应力分布更加合理,优化后将卡箍最大等效应力控制在允许范围内.     

颈椎前路单节段融合中加压钉和限制型固定板的力学特性

研究了一款颈椎前路加压钉在颈椎前路融合手术中临近椎体的应力。分别采用传统结构的固定板和新结构加压钉,对12具人体颈椎标本实施C4-C5节段椎间盘切除术后的前路融合固定,利用生物力学试验机和高精度三维运动测试系统进行试验,比较了两种不同结构固定板(钉)植入颈椎后在前屈15°或后伸20°运动条件下的融合性能,以及在50N及100N的轴向载荷条件下二者的静态载荷分布。结果表明:在固定效果上,前路加压钉和限制型前路固定板两者功能相仿,不存在显著差异;针对C4-C5椎间植入体上所承受的压力,选用前路加压钉较选用限制型前路固定板为佳。     

颈椎前路单节段融合中加压钉和限制型固定板的力学特性

研究了一款颈椎前路加压钉在颈椎前路融合手术中临近椎体的应力。分别采用传统结构的固定板和新结构加压钉,对12具人体颈椎标本实施C4-C5节段椎间盘切除术后的前路融合固定,利用生物力学试验机和高精度三维运动测试系统进行试验,比较了两种不同结构固定板(钉)植入颈椎后在前屈15°或后伸20°运动条件下的融合性能,以及在50N及100N的轴向载荷条件下二者的静态载荷分布。结果表明:在固定效果上,前路加压钉和限制型前路固定板两者功能相仿,不存在显著差异;针对C4-C5椎间植入体上所承受的压力,选用前路加压钉较选用限制型前路固定板为佳。     

椎间盘与韧带对腰椎变形影响的生物力学研究

利用CT扫描图像和三维重建软件,重建羊腰椎L1-L4的三维实体模型,建立包括椎体、椎间盘和韧带的有限元模型,数值计算得到椎体,椎间盘和韧带的应力分布规律.数值计算结果表明:施加单一牵引载荷和侧向弯曲载荷时,考虑间盘与韧带时腰椎的位移场与未考虑间盘与韧带时腰椎的位移场有明显的区别,对椎体的等效应力影响较小.文中结果表明,椎间盘与韧带明显影响腰椎变形的,研究腰椎变形需要考虑椎间盘与韧带.     

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AWE的大口径闸阀阀体强度分析与结构优化

在ANSYS Workbench集成开发平台环境下,建立大口径闸阀阀体的参数化模型,从安全、经济的角度,就如何改进阀体的结构以减少阀体的应力集中现象,合理优化加强筋结构尺寸和位置进行有限元分析和结构设计,得出阀体最优的结构尺寸,结合最大应力强度敏感性分析,为该类阀体结构的设计提出指导性意见.结果表明,优化后的阀体最大等效应力明显减小、应力分布更加均匀,该研究方法具有较高的效率和精度.     

基于等效热-力载荷的20Cr2Ni4预应力车削残余应力模拟及实验

为快速准确预测20Cr₂Ni₄合金钢预应力车削表面残余应力的分布,基于等效热-力载荷建立三维有限元仿真模型,通过切削热-力模型确定等效热-力载荷的分布形状和强度,将切削过程等效为接触正应力、接触剪应力和热流通量在已加工表面的循环作用.模拟的残余应力分布趋势与测量结果基本吻合.基于上述模型研究了切削速度、进给量和预应力大小对残余应力分布的影响.结果表明,切削速度对残余应力分布影响不明显,减小进给量能使表面残余拉应力和最大残余压应力减弱,增加预应力能够有效地减小表面残余拉应力和增大最大残余压应力.      

U75V焊接接头三维轮轨滚动接触有限元分析

由于焊接区材质的非均匀性,钢轨焊接接头一直是钢轨伤损的频发区域,通过分离式霍普金森压杆实验获得了U75V钢轨在不同应变率下的应力—应变曲线,确定了Johnson-Cook冲击动态本构模型材料参数,建立了含焊接接头的轮轨滚动接触有限元模型;对钢轨焊缝区、热影响区和母材区的接触压力、等效应力和等效塑性应变进行了有限元分析.结果显示:在轮轨滚动接触过程中,焊接接头热影响区最大接触压力相对于相邻区域较小,与其他区域交界处产生明显的应力集中,其等效塑性应变最大处位于钢轨次表层,焊接接头的等效塑性应变大于母材,轴重的变化对焊接接头最大接触压力和等效塑性应变的影响较小;随着行车速度增大,热影响区域最大接触压力和焊接接头等效塑性应变均逐渐增大.     

某型火箭发动机涡轮转子流热固耦合强度及疲劳寿命分析

针对某国产型号液体火箭发动机涡轮泵在试车时转子叶片产生裂纹的问题，采用ANSYS流热固耦合方法，对叶片进行三维有限元仿真计算，提出了叶片顶部加围带的改型设计方案。对原始模型进行强度计算时考虑了启停工况各关键时间点的流动、传热、瞬态温度场、转速的影响，计算出叶片运行过程中的应力分布，确定产生裂纹的原因是启动过程中部分进气的气流冲击应力过高，且叶片型底前缘应力集中区域的高周疲劳安全系数过低。对改型设计方案进行仿真计算，结果表明：稳态综合加载时改型方案叶片最大等效应力比原模型下降了2 MPa,位置是叶片的型底背弧处；启动0.35 s时改进模型叶片最大等效应力下降2.73%,停机过程中最大等效应力降幅为0.53%;改型方案叶片高周疲劳安全系数均大于1.4的要求，叶片低周疲劳循环次数为22次，与原始模型相比降低了1次，仍满足要求。改型后发动机已安全飞行数次，证明改型方案符合设计要求。     

桁架结构强度计算研究

分别采用轴力杆单元、弯曲-轴力梁单元和三维实体单元的有限元法对桁架结构进行静力分析.计算结果表明:采用轴力杆单元和采用梁单元的轴向应力接近,采用实体单元节点处的最大等效应力远高于杆单元模型和梁单元模型的应力,采用实体模型的位移大于杆单元和梁单元的位移;理想桁架中应力为零的杆件,用梁单元和实体单元计算应力并不为零;桁杆两端和节点存在应力集中,等效应力数值远大于杆件的应力.理想桁架的计算方法的杆件轴向应力虽然计算精度较高,但是不能反映节点的应力集中,桁架的强度计算应该考虑节点的应力集中.文中研究结果可以用于井架及电塔结构的强度设计.     

立构共聚聚乳酸/纳米β-磷酸三钙复合材料制备可吸收双层椎间融合器及其降解性能

利用纳米β-磷酸三钙/聚乳酸(β-TCP/PLA92)复合材料制备内外双层结构的颈椎椎间融合器.考察了β-TCP重量百分数为10%,30%和60%的外支架复合材料在磷酸盐缓冲溶液中的降解行为、机械性能和热力学性质.结果表明,体外降解30周,降解液的pH>6.9,材料失重率<1.1%,外观形态完好;PLA分子量下降50%以上,复合材料机械性能明显下降,但10%和60%TCP的复合材料抗压强度均大于50 MPa,满足椎间融合器的临床应用要求.10%TCP的复合材料降解过程中,PLA发生了明显的结晶,而其余材料则不明显,说明β-TCP的存在不利于PLA结晶.乳液相分离/粒子沥滤法制得了大孔235～435μm和小孔1～10μm并存的复合孔结构的内层支架.为新型生物可降解颈椎融合器的研制提供了依据.     

高温高压对冶金用热水循环泵结构强度的影响

为获得冶金用热水循环泵实际工作状态下的结构强度,对泵内部全流场进行了多工况定常数值模拟,并基于ANSYS Workbench平台对泵转动部件与静止部件进行了单向流固耦合计算.得到了不同工况下关键零件的最大等效应力,并对比了常温常压与高温高压条件下转动部件与静止部件的应力分布,分析了结构应力分布特征.结果表明:热水循环泵各零件最大等效应力值均小于自身材料的抗拉强度,满足强度要求;常温常压条件下,转动部件的键及键槽处应力值最大,而在高温高压条件下,泵轴轴承段因热载荷出现了应力集中的现象;常温常压条件下,泵体应力分布主要受到重力作用,各支撑部位的应力较大,高温高压条件下,泵体温度梯度较大位置应力较大.     

基于刚度等效的钢波纹板叠合梁结构数值分析

为了探索钢波纹板叠合梁受力性能,依托湖南某旧桥加固工程,通过刚度等效的方法建立了等效矩形梁的数值模型并论述了应力换算方法,在等效矩形梁模型的基础上分析了车辆荷载作用下结构受力特性与施工阶段的结构受力特性.研究表明:采用等效矩形梁模型能够分析叠合梁结构受力,获得的截面边缘应力可根据本文公式换算成相应叠合梁的应力,除边界处应力误差较大以外其他点位的换算应力较为准确;活载作用下最不利工况发生在双后轴对称作用于拱顶情况,此时的弯矩与轴力最大,计算活载时应采用此工况;施工过程中最不利情况为一侧回填产生偏心加载的情况,此时结构弯矩最大但轴力最小,施工结束后结构所受轴力最大,施工过程分析不能忽略这两种工况; CHBDC规范中的计算方法不适于钢波纹板叠合梁结构,需采用其他方法分析.     

气缸盖中两相流沸腾换热热机耦合仿真分析

基于汽液两相流沸腾换热的基本理论和计算方法,对某柴油机气缸盖与冷却水腔组成的流固耦合传热系统进行了整场求解,得到了气缸盖的温度场分布,并通过与气缸盖温度场试验结果对比分析,证明了计算模型的有效性.将温度场结果施加于气缸盖、螺栓、机体所组成的热机耦合系统中,对气缸盖进行了结构强度计算,得到了气缸盖火力面热机耦合应力分布.采用试验设计方法,将冷却水进口温度和速度作为输入参数,对火力面应力较大区域的最大等效应力进行了响应分析,结果表明:考虑汽液两相流的沸腾换热可以有效降低气缸盖火力面的最大热机耦合应力;火力面的最大应力出现在喷油器座孔周围;冷却水进口温度对火力面应力较大区域的最大等效应力的影响不可忽略.