新型免载方式的膝关节矫形器设计与评价

通过对现有免载矫形器的机构工作原理及其局限的分析,提出了一种全新的全膝免载方式,即通过机构在下肢伸展时向上牵拉膝关节以承担部分载荷,据此设计了新型膝关节免载矫形器,并进行了相关的运动和力学分析.同时通过实验建立了矫形器大腿托与大腿压力、阻力以及皮肤变形间的关系,综合评价了矫形器对人体的影响,验证了其免载的有效性.     

膝关节骨性关节炎步态分析特征及3D矫形鞋垫设计应用

 概述了2种步态分析实验系统、实验原理和KOA患者下肢三维步态的改变；由于下肢生物力学的复杂性和研究技术的局限性，3D矫形鞋垫设计目前仍处于初级阶段，产品的治疗效果尚无统一意见并且未大量生产使用，因此对3D矫形鞋垫在KOA中的应用原理及制作过程进行深入探讨，明确KOA患者膝关节周围动力和静力结构变化，将其应用于3D矫形鞋垫的设计和生产，为早期KOA保守治疗提供重要解决方案，既能够患者满足舒适性和功能性的双重需求，又能使制造周期和成本显著降低。     

超声滚压微锻造增材件表面力学性能

增材制造Ti-6Al-4V钛合金构件时，易出现裂纹、表面粗糙度大等缺陷.为了解决这一问题，将应用于表面强化处理的超声滚压微锻造工艺与增材制造过程相结合，通过有限元软件模拟了激光熔丝增材制造及冷却过程，并分析了超声滚压微锻造加工对增材件表面力学性能的影响.结果表明：在经过超声滚压微锻造加工后，增材件残余应力由拉应力转变为较大的压应力，有效降低了增材件产生裂纹等缺陷的风险，同时，加工后的增材件表面等效塑性应变增大，表面显微硬度提高，且超声滚压微锻造加工对滚压头接触区域影响最大.     

行人下肢有限元模型的建立与验证研究

下肢损伤是行人与车辆碰撞事故中的主要损伤形式之一,建立具有较高生物逼真度的行人下肢有限元模型,可以为下肢保护提供有效的研究手段.在下肢长骨(股骨、胫骨、腓骨)、韧带(ACL,PCL,MCL,LCL)及膝关节得到全面验证的基础上,建立了包含骨骼、韧带、肌肉及皮肤等详细解剖学结构的行人下肢有限元模型,并定义了各组织间的接触.利用行人下肢弯曲的生物力学实验,对下肢有限元模型进行了整体弯曲验证.结果显示,下肢有限元模型的损伤形式、损伤发生时刻、膝关节弯矩和弯曲角度均与实验结果吻合较好,能够较真实地反映行人下肢的损伤和生物力学响应,具有较好的生物逼真度.     

足踝矫形器及其生物力学研究进展

 足踝矫形器是以非手术方法解决足踝问题的穿戴器具，可以有效控制足踝位置及运动，减缓关节负载。概述了足踝问题及相关足踝矫形器分别对人体的生物力学影响，探讨了计算生物力学的功能和在足踝矫形器评估中的初步应用。由于足踝生物力学的复杂性和研究技术的局限性，足踝矫形器的设计目前仍主要依据于经验，产品的治疗或康复效果存在很大争议。随着临床影像学以及测量技术和计算生物力学技术的发展，足踝生物力学研究能够更深入全面提供足踝内部和外部的受力环境，并广泛应用于足踝矫形器的设计和评估中。基于此，辅助以3D打印等先进制造技术，足踝矫形器将实现舒适性和功能性兼备的快速个性化定制，在具有良好的矫正效果的同时，其制造周期和成本将大大降低。关键词足踝矫形器；足踝生物力学；足踝损伤；关节应力     

金、银、铜等典型高反射率材料的激光增材制造

激光增材制造金银材料可用于艺术品、首饰、手表等的定制化制造.铜是传统工业的重要材料,具有良好的导电性和导热性;铜的激光增材制造材料被广泛用于电子设备、热管理系统、交通运输、工业制造等领域.金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景,但也面临着重要问题:金、银、铜材料对激光的吸收率很低.理论分析表明,光吸收率受材料的电导率和激光波长的直接影响.用合金化粉末或表面改性的粉末替代原始粉末打印,或用短波长蓝光或绿光激光打印,可以提高粉体对激光的吸收率,得到更好的打印态样品.本文总结了铜、金等高反射率材料的激光增材制造的激光成型现状和原料端现状,亦对铜、金等高反射率材料的激光增材制造的未来发展趋势做出了展望.     

基于逐层建模的电弧增材制造过程有限元仿真方法

传统的有限元仿真模式都是通过预先建立整体的几何模型,再结合单元生死技术来实现增材过程的仿真计算.由于这一模式需要预先设置好增材构件的整体尺寸及每层高度,因此不适用于需要在增材过程中优化调整工艺的复杂零件的仿真;更重要的是,增材过程逐层累积的变形量会使得计算域偏离预设位置进而出现计算不收敛的问题.为了解决增材制造的数值模拟过程中存在的上述难题,本研究提出了一种新的逐层建模的有限元计算方法.该方法采用逐层建模逐层计算的方式进行仿真计算,仿真过程与实际的增材过程一致,彻底解决了变形累积导致的计算不收敛问题的发生.首先,基于ABAQUS有限元软件,分别采用整体建模和逐层建模两种方法建立了20层的电弧增材制造(WAAM)仿真模型,并分别进行了热力耦合仿真计算.计算结果表明:逐层建模法获得的温度场和应力应变场的结果与传统整体建模法的基本一致,初步证明了所提出的逐层建模法对模拟增材过程的可行性.其次,为了分析逐层建模法对增材过程的变形累积敏感性问题,设计了一个单边约束的WAAM试验,并采用上述两种建模方法分别进行了仿真计算.计算结果表明:传统的整体建模模型计算至第2层就因为变形过大而被系统终止计算,...     

基于角度控制的被动辅助式RGO系统设计

为解决已有的往复式步态矫形器(Reciprocation gait orthosis,RGO)在临床应用中因无动力导致截瘫患者体力消耗巨大、训练时间短、膝关节康复训练无效果或效果不佳、因步态失真导致稳定性差等问题,设计了一种基于角度控制的被动捕捉式RGO系统。首先建立人体穿戴RGO正常行走时下肢的髋、膝关节的角度测量系统,对正常人穿戴RGO行走时的步态进行检测和分析,将得到的数据通过Matlab进行拟合分析、离散化处理,得到髋、膝关节角度序列值,作为改进RGO的控制系统的参考值。在RGO的髋后部增加一个由直流伺服电机驱动的曲柄滑块机构,从而在不改变电机转向的情况下,实现人体的交替迈步,在左右膝关节处各增加一个电动驱动单元,实现人体膝关节的屈伸运动。最后,通过实际应用对系统测量,验证设计的合理性和实用性。     

基于主应力轨迹线的熔融沉积成型填充路径优化

以熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)为代表的增材制造层间与层内的各向异性严重影响零件机械性能.提出一种基于主应力轨迹线(principal stress lines,PSL)引导,通过设计FDM层内填充路径使其与载荷路径相协调以提高零件机械性能的方法.给出了基于有限元分析的主应力...     

特高压输电塔不等边角钢交叉斜材的承载力

为研究不等边角钢作为特高压输电塔交叉斜材的承载性能,选用了我国特高压输电塔结构中典型的节间形式,制作了交叉斜材采用不等边角钢的足尺节间试件,进行了节间不同工况下的静力加载试验,研究了不等边角钢交叉斜材的应变发展、变形特征、破坏模式及极限承载力;然后,建立了节间的非线性有限元模型,并进行了试验验证和参数分析.试验结果表明,不同工况加载过程中,不等边角钢交叉斜材的稳定承载性能良好,极限荷载作用下,不等边角钢交叉斜材的受力方式决定其最终的破坏模式为面外屈曲或面外和面内共同屈曲;有限元模型参数分析表明,随着交叉斜材内力比值的降低、材料强度等级的提高以及斜材相交点位置的提高,不等边角钢交叉斜材的承载力均有所提高,交叉斜材的受力方式对其承载力提高的效果有显著影响.最后,基于能量法及有限单元法,提出了不等边角钢交叉斜材承载力计算的理论方法,经验证,理论方法的计算结果与有限元分析结果、试验结果吻合较好.     

膝骨关节炎致病危险因素的meta分析

目的:系统评价膝骨关节炎(KOA)的致病危险因素。方法:利用计算机检索万方、中国知网、维普、Web of Science、PubMed、Cochrane等数据库，收集有关KOA致病危险因素研究的文献，检索时间从建库至2022年6月，由2人独立对资料进行初步筛选和信息提取并进行质量控制，采用Cochrane官方提供的RevMan5.4软件进行meta分析。结果:本研究纳入12篇病例对照研究文献进行定量分析评价。meta分析结果显示：年龄(OR=1.08,95%CI[1.06,1.11])、女性(OR=2.67,95%CI[2.18,3.27])、BMI(OR=2.03,95%CI[1.50,2.73])、高强度锻炼(OR=1.89,95%CI[1.52,2.35])、经常性做蹲或跪的动作(OR=3.87,95%CI[1.09,13.77]、吸烟(OR=1.33,95%CI[1.24,1.43])、饮酒(OR=2.28,95%CI[1.42,3.66])、其他膝关节疾病史(OR=2.63,95%CI[1.36,5.08])和KOA家族史(OR=1.69,95%CI[1.36,2.11])是...     

盖板式涵洞顶部土压力转移研究

利用土拱理论和有限元方法,对上埋式盖板涵洞顶部土压力的转移、减小进行研究和计算。结果表明,刚性地基条件下,在盖板式涵洞顶部两侧设置的减载块-混凝土块体充当支撑拱脚,产生的土拱效应大大减小了涵洞顶板的土压力。减载块高度、宽度以及减载块间填土的密实度对顶板土压力的减小有很大影响,三者均可使顶板土压力减小20%～30%以上。     

熔滴喷射沉积制造中重熔过程的研究

为使熔滴喷射增材制造过程中熔滴颗粒间能够获得较好的融合,分析了熔滴温度和基体温度对颗粒间重熔过程的影响,建立了基于Stefan条件的熔滴融合时界面重熔过程的一维热传导模型;利用有限元方法对模型进行求解,得到了熔滴喷射沉积过程中液固界面的移动规律和最大重熔深度,并以此预测了沉积熔滴间的结合效果.在自行研制的熔滴沉积实验系统中进行了柱状制件沉积实验,结果表明:提高基板温度或熔滴温度可有效增加重熔深度,进而改善熔滴间的结合状态;所建模型可以正确预测颗粒间的结合效果.     

关节镜下清理术对膝关节骨性关节病早期及中期疗效分析

 关节镜下膝关节清理术对于退变引起的膝骨关节病的疗效目前仍存在争议，探讨了关节镜下清理术对不同程度膝骨关节病的治疗效果。分析了北京天坛医院骨科2011年9月至2016年9月期间接受关节镜清理术的膝关节病患者，根据Kellgren-Lawrence（K-L）分级进行分组，并进行术后随访。发现与术前相比，4组患者在术后6月、1年的牛津大学膝关节评分（Oxford Knee Score，OKS）、膝关节损伤和骨关节炎评分（Knee Injury and OsteoarthritisOutcome Score，KOOS）及数字疼痛评分均较术前显著改善。术后3年，K-L分级I-II级患者术上述评分仍比术前有所改善，但K-L分级III级患者与术前相比无显著差异，K-L分级Ⅳ级患者的评分比术前差。提示关节镜下膝关节清理术对于膝关节骨性关节病K-L分级I-II级，症状明显且保守治疗失败的患者有良好的术后早期及中期疗效；对III-IV级患者，术后早期疗效较好，但中期效果较差。     

电-液驱动撞针式成型喷射系统的键合图建模及实验验证

为了实现微液滴喷射增材成型制造过程中微量高黏性熔体快速、精确的喷射,并探究系统参数对喷射过程的影响,本文提出一种电-液混合驱动的机械撞针式液滴喷射成型方法,对微量熔体进行喷射;同时,构建了该系统的键合图(bond graph)模型,该模型能有效耦合各能域变量;最后利用Matlab仿真模拟系统的键合图模型,通过实验验证了该模型的正确性。     

基于加筋路基中筋材应力性状的土工格室改进铺设方法

确定土工格室加筋路基中筋材内部的应力性状是控制工程成本、有效发挥土工格室加筋作用的关键因素。首先通过室内试验确定高强土工格室材料的应力-应变关系并以此确定其本构模型,而后基于ABAQUS有限元软件,采用分离式分析法分别建立土工格室及路基的计算模型,对多层土工格室加筋路基进行有限元分析。通过添加土工格室前后情况对比,改变土工格室的加筋层数进行分析,研究不同铺设层数的土工格室对路基沉降及侧向位移的影响。通过分析多层土工格室加筋路基内部筋材的拉应力性状,提出一种改进的铺设方法,并建立了有限元模型进行验证。结果表明:添加土工格室能够有效限制路基沉降及侧向位移,使路基的整体稳定性得到提高,具体表现为铺设1层土工格室时,路基中线处的竖向位移可减小36.2%,坡脚处的水平位移可减小74.8%,且路基的稳定性与土工格室铺设层数呈正相关。土工格室筋材内部拉应力由路基中线向路基两侧呈逐渐减小的趋势,在路基边缘位置已趋于零。采用多层土工格室加筋时,最底层的土工格室和最上层的土工格室承受较大的拉应力。在此规律的基础上,采用改进的土工格室铺设方法,在最大节约30%筋材的前提下,可取得大致相同的加筋效果。     

含半月板的活体股胫关节接触特性有限元分析

股胫关节接触生物力学研究是人们保护关节减少伤害,理解关节软骨退化造成骨关节病力学成因的关键.该文利用一系列活体膝关节磁共振断层扫描图像(MRI), 构建了含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型.探讨了用有限元显式非线性动力学方法求解关节间存在相对滑动和摩擦时股胫关节接触特性,并模拟分析了在步行过程中外载荷变化时股胫关节的接触力学特性.仿真分析表明: 在载荷增加时,股胫关节接触面积增加,而股胫关节内外侧接触面积之比几乎不变,内外侧平均接触应力基本相等.     

Tandem-GMAW电弧增材制造基层成型宽度研究及热过程分析

电弧增材制造网格壁板以逐层堆积的方式直接在基板上沉积网格结构,能够极大地提升生产效率并降低成本.在网格壁板的成型过程中,基层的成型和整体的热过程决定了上层是否能成功完成成型.本文针对不同板厚作为基板的基层成型不规律问题,利用不同环境因素下的试验得到其成型熔宽及余高数据,根据得到的数据建立有限元填充模型.采用有限元模拟方式研究基板厚度、预热温度、距边缘距离等关键参数对电弧增材制造网格壁板的影响规律.试验结果表明:随着基板厚度的增加,基层成型宽度明显减小;随着预热温度的升高,在80℃温度以内宽度增加不明显,当预热温度超过120℃,基层成型宽度出现明显的增加;在边缘距离大于20 mm时,边缘距离对成型宽度基本没有影响;边缘距离小于20 mm时,随着边缘距离的减小,成型宽度逐渐加大,在边缘距离为10 mm时整个边缘基板的温度达到500°,基板塌陷倾向明显.最后通过上述试验结果,应用热力学理论构建基层成型数学模型,结合统计学最小二乘法,辅助确定热源参数后采用有限元模拟的方法可以进行不同工艺参数及板厚的热过程研究,这种创新性结合热力学解析解、统计学方法和简单实测解,可以有效地减少电弧增材基层热过程分析时间,提升成型研究效率.     

太极拳对老年人健康相关生活质量影响的Meta分析

收集国内外相关文献构建合理检索式,以综合评价太极拳对老年人身体机能、心理状态两方面的作用效果。效应量合并结果显示,太极拳运动可对老年人身体机能方面产生显著的中等效应改善效果,其中运动周期>24周、频率≥2次/周及健康老年人和膝骨关节炎患者群体的疗效明显。同时对心理状态方面具有相同的提升作用,但仅发现>2次/周的太极拳运动可显著改善老年人的心理状态。太极拳运动可显著改善老年人身体机能与心理状态的效果处于中等效应范围内。建议制定提高身体机能的运动处方为周期>24周、运动频率≥2次/周,对健康老年人和膝骨关节炎患者群体效果较明显。而在改善心理状态方面,除发现运动频率应>2次/周外,无其它具有统计学意义的结果。     

基于定制产品结构型谱的作业规划启发式算法

在大规模定制生产模式下,定制产品族制造作业的快捷、有效规划可降低成本、缩短交货期、增强企业竞争力.基于定制产品族的结构型谱和作业规划的次序相关性分析,构建了定制产品族制造作业规划的成本优化模型;提出了基于定制产品族结构型谱的作业规划启发式算法(CPSHA);随后,计算实例验证了CPSHA求解的快捷;并从转换次数、转换成本、转换时间三个方面的理论分析证实了CPSHA解的优异;基于仿真,通过CPSHA与路径枚举法、自适应遗传算法的对比,例证了CPSHA能获得优异近似最优解.最后,将CPSHA拓展到系列产品的作业规划.快捷、直观、有效的CPSHA不仅可获得优良的制造作业规划,更便于实际生产现场的使用.