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.     

3岁儿童C4-C5颈椎有限元建模方法研究

使用缩放和非线性拟合的方法,获得了3岁儿童颈部材料参数;提出了一套儿童颈部韧带的力学特性缩放方法;开发了具有精确几何及解剖学结构的3岁儿童C4-C5颈椎段有限元模型,并在准静态、动态拉伸载荷下进行了验证.结果显示,准静态拉伸刚度为211.8N/mm,动态拉伸最终失效力为759.9N,最终失效位移为5.083mm,均与实验值吻合良好;动态拉伸力-位移曲线与实验曲线吻合较好.验证结果表明,本模型能够较准确地反映3岁儿童C4-C5颈椎段的准静态和动态拉伸力学特性,具有较高的生物逼真度.     

人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立和验证

根据汽车碰撞事故中人体颈部损伤防护技术研究的需要。建立了一个人体颈部三维有限元模型。该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎骨、椎间盘、小关节、韧带、肌肉和软骨等组织，共由15811个单元构成。各组织的材料特性采用了弹性、粘弹性、和刚性材料模型来描述．模型用前碰撞志愿者实验数据进行了验证。其头部的加速度、位移曲线与实验数据得到了较好的吻合。本文初步研究了软组织特性参数对于颈部运动的影响。该模型具有较高的生物逼真度，可对头颈部在汽车碰撞载荷条件下的加速度、速度、位移等动力学响应参数进行分析研究。     

孔边残余应变与疲劳循环次数相关性实验

对有限宽中心带孔拉伸试样进行疲劳试验.在疲劳加载过程中,按一定的疲劳周次在零载荷状态下停机,并采集试件表面上预先制备的白光散斑图.再应用数字散斑相关技术测量了不同疲劳循环次数后孔周的残余变形场,并给出了孔边最大残余应变与疲劳循环次数的关系曲线.     

DSCM中摄像机光轴与物面不垂直引起的误差分析

该文研究了数字散斑相关方法(DSCM)中由于摄像机与被测物面不垂直而引起的误差。首先从成像原理上进行分析,得出当位移和偏差角度比较小时,误差分别与它们成线性关系。为验证这一结论,提出了引入摄像机成像模型的数字模拟散斑图像生成方法;采用数字散斑相关方法,对模拟散斑图像进行计算,计算的结果与理论分析的误差公式结果非常吻合。基于数字散斑相关测量灵敏度为0.01像素,要求不垂直度或被测平面的平面度应小于5,°这也是二维数字散斑可否用于曲面测量的判据。     

基于数字散斑技术的桥梁检测

电测法作为常见的应力应变测量方法有许多的优点,但也有一些缺点,而数字散斑方法在远距离情况下仍能获得足够的光照度,具有延长散斑计量的距离,保证足够的测量灵敏度等优点.提出了将数字散斑方法与ANSYS计算相结合来检测桥体变形的方法,该方法较其他光学测试方法以及电测法具有较强的实用性和较快的计算速度及较高的精确度.     

数字散斑相关法测量连续位移的原理与实验

提出用数字散斑相关方法测量移动物体的连续位移.激光照射粗糙表面形成散斑场,用CCD记录粗糙表面移动时的序列散斑图像,利用数字散斑相关方法分析散斑图像,确定粗糙表面的位移.研究结果表明,数字散斑相关技术可以高精度地测出连续移动物体的位移.     

聚醚醚酮手指假体三维有限元模型的建立及生物力学分析

建立食指三维有限元模型,并将聚醚醚酮材料属性赋值,分析在施加不同载荷下食指各节指骨的应力分布情况.健康男性志愿者1名,对其左手进行电子计算机断层扫描,将扫描数据导入Mimics 21.0软件中得到食指的点云数据,再导入UG 12.0软件中进行逆向处理建立食指模型,最后导入Workbench 2020R1软件中,沿食指指骨纵向分别施加10、20、30、40和50 N载荷,分析食指各节指骨的应力分布情况.结果显示,建立了高精度食指三维有限元模型,模型共计551 410个节点,392 047个四面体单元;随着施加载荷的增加,食指指骨的应力变化范围约0.37～5.96 MPa,远节指骨的整体应力要明显高于其他指骨,近节指骨所受的应力最小.采用Mimics和Workbench软件可建立精确度较高的食指有限元模型,从而对食指生物力学角度进行定性定量的分析研究,为聚醚醚酮材料作为食指替换材料提供一定的理论依据.     

利用激光散斑进行数字相关测量的可行性研究

本文从理论上阐述了激光散斑在用于数字相关测量时的性质及其与白光散斑相比的主要误差来源,讨论了其测量范围,并给出相应的实验验证．     

基于DSCM的竹炭力学参数测量及破坏分析

为了解竹炭力学性能,采用DSCM方法研究了竹炭的弹性模量、泊松比以及抗压强度,并对竹炭材料的顺纹和横纹破坏过程进行了简单分析。结果表明:竹炭的横纹压缩强度、弹性模量和泊松比均比顺纹压缩低;竹炭的破坏模式受其结构控制,顺纹压缩常表现为突发式破坏,试件内部前期变形均匀,最后发育沿载荷方向的裂纹,横纹破坏表现为渐进式破坏,试件内部前期变形不均匀,最后发育与载荷方向成一定角度的裂纹。该研究在生物质材料的力学参数及力学性能研究方面均具有一定的可行性和优越性。     

双显微数字散斑相关测量的光学系统研究

基于桥梁变形测量的数字散斑测量系统,提出一种近距离测量形变的双显微测量系统,能消除刚性位移,提高测量精度.针对实现双显微数字散斑测试技术所需光学镜头,根据成像原理,设计出满足需要的与CCD相匹配的双显微物镜.采用满足设计要求的4倍的显微物镜进行试验,通过实验验证,设计合理,满足所需精度.     

基于小波多级分解的数字散斑相关搜索方法

为提高数字散斑相关方法(DSCM)的测量精度和计算速度,提出一种基于小波多级分解的数字散斑相关搜索方法。该方法利用二维离散正交小波技术对图像滤波去噪同时进行多级分解,从最低的一级开始进行相关搜索计算,然后逐级回溯。与传统的相关搜索方法相比,该方法可提高运算速度至少1个数量级并提高测量精度,有更强的适用性,可以对大位移、有噪声的图像进行数字相关位移场的处理。     

数字散斑相关方法用于岩石结构破坏过程观测

介绍了数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及用DSCM进行岩石力学实验观测的观测系统,用此系统进行了一个岩石圆孔结构变形破坏过程的变形场观测,实验结果显示了此种岩石结构的复杂破坏过程。岩石结构的破坏经历损伤的积累及局部化过程,结构最终沿某一局部化带发生宏观破坏,但局部化带的演化在时间和空间上均不稳定,甚至存在跳跃与竞争现象。     

爆炸应力波作用煤巷变形破坏模拟试验研究

采用相似材料和数值模拟试验方法,利用数字散斑观测(DSCM)技术,对不同炮孔位置和装药量条件下煤巷变形破坏进行模拟试验研究,得到爆炸应力波在煤岩中的传播规律.试验结果表明:(1)爆炸应力波沿垂直巷道方向上传播为主,巷道顶板附近形成裂纹、破碎或坍塌区;随着装药量不断增加,应力波对上部岩体破坏力明显增大,应力波能量是影响巷道破坏程度的主要因素.(2)装药量为4.0g,炮孔距离分别为450mm和300mm时,第一次引爆(距离为450mm)后,巷道顶板附近出现裂缝,属于拉剪裂缝;第二次引爆(距离为300mm)后,巷道顶板附近裂缝较为发育,且巷道顶层出现部分塌落,属于重复拉剪破坏;装药量为8.0g,第三次引爆(距离为200mm)后,巷道顶板出现塌落,且四周破坏,说明随着炮孔距离推进和装药量增加,巷道变形破坏程度更严重.(3)数值计算结果表明,顶板受冲击作用和下沉位移较大,两边帮向巷道内部弯曲变形也较大,冲击载荷对巷道变形破坏影响较大,与相似材料试验结果具有一致性.     

有限元数值分析在地下连续墙中的应用

为了研究高层建筑基坑施工中采用逆作法时建筑结构中地下连续墙的受力特性．文章结合工程实例，采用有限元分析软件ANSYS，重点对基坑施工中的地下连续墙进行了各种工况下的有限元数值分析，计算了地下连续墙的内力和位移．根据现有工程经验，用弹性地基杆系有限元法计算多支撑地下连续墙的内力，能反映墙体内力的变化，能满足工程设计要求．但由于影响墙体变形的因素复杂，会影响地下连续墙内力计算的准确性，根据经验对最终计算结果进行调整是十分必要的．     

压电层合板的三维有限元分析

从弹性理论和压电学理论出发,根据三维有限元理论,采用空间等参单元,导出了压电层合板的整体刚度矩阵,并利用材料的物理和几何关系,对压电层合板的应力和变形做了计算与分析。给出了数值算例并与已有的解析解计算结果做了比较和分析。计算表明其结果具有较高的分析精度。     

正常人咽腔气体流场数值模拟

为研究人体咽腔内的气体流动状况,基于10名志愿者的螺旋CT医学图像,应用表面重建的方法对人咽腔进行三维重建,并采用有限单元法和有限体积法两种数值方法对志愿者吸气过程中咽腔中的气流场进行了数值模拟及分析. 所建模型较真实地反映了咽腔实际解剖结构形态,有限单元法和有限体积法两种数值模拟方法计算结果相近,从数值模拟结果可以得到人体呼吸过程中气体流场在咽腔内压力与速度的分布规律. 本研究对吸气时人咽腔中气体流动特性、临床上咽腔解剖结构相关疾病的诊断及发病机理等问题深入探讨具有参考价值.     

内固定器对人体颈椎运动生物力学性能的影响

在失稳颈椎内安装固定器后,其稳定性的生物力学评价是医学研究的一个重要课题。该文提出了一种双目三维光学精密运动测量方法对其进行评价。采用该方法分别对保存良好的人体颈椎标本在失稳、内固定以及疲劳3种状态下的三维运动情况(包括前屈、后伸、左侧弯、右侧弯4种运动)进行了测量,并以每种运动情况下的颈椎C 1-C 2节相互旋转角度衡量其内固定的效果。实验结果表明,内固定后颈椎的旋转角度明显小于失稳时的旋转角度;内固定后模拟远期效果的疲劳加载后测试结果证实内固定的效果仍然是可靠的。     

可膨胀管膨胀过程三维有限元数值模拟

为合理设计膨胀工具及制订膨胀工艺,采用三维弹塑性接触问题有限单元法,建立了实体可膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型.通过对所建模型的求解,对可膨胀管膨胀过程中膨胀变形力、套管膨胀后的残余应力及轴向位移、膨胀工具模角的关系进行了深入细致的研究,找出了膨胀管与膨胀工具在不同的接触条件、可膨胀管在不同的内径膨胀率及不同的壁厚条件下,各参数之间相互制约的变化规律.通过实验测得的膨胀变形力与用本模型求得的结果符合得很好,相对误差仅为0.65%,完全可以满足实际工程的要求.     

7050铝合金材料R曲线的三维效应与试验研究

裂纹扩展阻力曲线(R曲线)反映了疲劳裂纹扩展断裂的真实物理过程,但是现阶段测量材料R曲线的方法在计算试样阻抗应力强度因子时,未考虑厚度的影响,并且在计算裂纹扩展阻力R时,仅考虑了平面应力状态与平面应变状态两种极端情况,忽略了更为普遍的过渡状态。首先对中心孔裂纹板进行了三维弹塑性有限元分析,通过计算其三维应力强度因子表示式,建立了裂纹扩展阻力与试样厚度的关系模型。其次,依据三维状态下能量释放率与应力强度因子的关系式,结合裂纹扩展阻力与试样厚度的关系式,建立了不同厚度试样三维裂纹扩展阻力R值的计算模型。最后,基于该模型,通过试验测定了不同厚度7050铝合金板的R曲线,得到了R曲线与试样厚度的函数关系式。