工业纯钛室温蠕变性能试验

采用标准拉伸试验方法和小冲杆微试样试验技术测定钛材在室温下的蠕变性能，证实工业纯钛在室温下确实存在蠕变现象，但蠕变仅在应力足够大时发生。采用塑性薄膜伸张模型，将小冲杆试验测得的试样中心点挠度值δ转化为表征蠕变应变εsp和表征蠕变应力σsp，计算得到了与传统拉伸蠕变试验相应的蠕变应力一蠕变速率关系，比较结果说明两种测试方法获得的纯钛在室温下的蠕变速率较为接近。     

三点弯小试样测试材料蠕变性能的方法

描述了三点弯小试样测试材料蠕变性能的方法,建立了三点弯同传统蠕变试验的解析关联式。模拟了23CrMoNiWV88材料在540 ℃时三点弯小试样的试验过程,分析了试样中心位移、应力、应变随时间的变化规律,验证了采用该方法获取材料蠕变性能的可行性,并在数值模拟的基础上建立了三点弯蠕变试验同传统单轴蠕变试验的转换式,求取了材料的蠕变性能参数,结果表明模拟值与理论值吻合较好。基于数值模拟结果,修正了两者的解析关联式,并分析了进一步开展试验研究的必要性。     

蠕变局部损伤开裂的有限元模型

建立了蠕变局部损伤法模型,并给出单元进入损伤态的判据和失效的临界拉伸应变条件,局部蠕变损伤理论的实质就是试样是多种不同蠕变性能材料的统一,并由蠕变应力再分布得到证实,应用有限元对双缺口圆试样作了蠕变局部损伤分析,启裂时间和断裂蠕变应变值均与实验结果相吻合。     

人体胸腰椎和椎间盘的应力松弛和蠕变性试验

目的观察年轻的新鲜尸体的胸腰椎标本的粘弹性,为临床和模型研究提供生物力学参数。方法选择22~31岁的新鲜男性尸体,并在死亡1 h内从尸体上分离出15例脊柱功能单元。采用WE-10A型万能材料测试仪进行蠕变性和松弛性试验。结果通过胸腰椎的椎体和椎间盘的生物力学模型,推导出相应的蠕变和应力松弛方程,并对测量的和模拟有曲线进行比较。分别在前5 min和前10 min内,椎体和椎间盘的蠕变变形发生显著的变化。在应力松弛过程中,在前2 min内应力急剧降低,然后趋于平衡。结论在开始阶段,蠕变率变化是显著的,然后逐渐下降。这表明局部脊椎内部的压力差是降低的,直到达到平衡状态。由公式得到的模拟曲线与试验中得到的曲线在很大程度上是吻合的,这表明方程是合理可靠的。     

针刀整体松解术对兔膝骨性关节炎模型髌韧带生物力学特性的影响

目的探讨针刀整体松解术对兔膝关节髌韧带蠕变率、应力松弛率、最大应力、最大位移、最大应变的影响。方法将40只日本大耳白兔随机分为空白组、模型组、玻璃酸钠组、针刀治疗组,采用左后肢伸直位固定法建立KOA模型。造模成功后,玻璃酸钠组采用玻璃酸钠膝关节腔注射治疗,针刀治疗组采用针刀整体上松解术治疗。所有动物于治疗结束1周后取材,在Bose Electro Force3300力学试验机上对4组样本进行蠕变、松弛及拉伸试验,分别记录并计算蠕变率、应力松弛率、最大应力、最大位移、最大应变等指标。结果模型组的蠕变率、最大应力、最大位移小于空白组(P0.05,P0.01),模型组的应力松弛率与最大应变大于空白组(P0.05,P0.01);针刀治疗组的蠕变率、最大应力、最大位移均大于模型组(P0.05,P0.01),针刀治疗组的应力松弛率与最大应变小于模型组(P0.01);针刀治疗组应力松弛率与最大应变显著小于玻璃酸钠组(P0.05),针刀治疗组蠕变率、最大应力及最大位移与玻璃酸钠组之间无显著性差异。结论针刀整体松解术通过对膝关节周围软组织进行松解,去除对异常状态下应力负荷对韧带的作用,使髌韧带的拉伸、蠕变和应力松弛等力学特性得以恢复,从而达到对本病的治疗。     

小冲杆试验法及其在评定材料韧性方面的应用

多位研究者证明 ,作为微试样技术之一的小冲杆试验法可以代替传统试验方法测出材料的各项力学性能。本文简要介绍了这种新型试验方法的工作原理 ,并详细介绍和分析了用小冲杆试验技术测定材料延脆性转变温度 ( DBTT或 FATT)及断裂韧性 ( KIC或 JIC)等韧性指标的研究工作 ,探讨了将此项微试样技术用于高温服役材料韧性评定的可行性     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的 利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性.方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面.约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms.通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性.结果 在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa.冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94％;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93％.结论 人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折.     

对金属材料高温缺口持久试验的研究

为进一步弄清缺口持久断裂的机理,作者采用持久试验,金相分析、有限元计算相结合的方法进行研究,修正了传统的概念。1.各国标准都以棒状缺口试样持久试验的结果来衡量材料的高温性能,传统上认为是反映材料的“缺口敏感性”。研究表明,标准缺口持久试验的实质是反映材料在多向应力作用下的抗主裂纹萌生与扩展的能力。2.各国标准都以理论应力集中系数K_t作为确定试样几何参数的主要依据。对K_t的物理意义,传统上都按缺口处轴向应力的最高值与平均值之比来理解。研究表明,实际的应力集中系数远较K_t值小,K_t实质上是反映了缺口拘束度和应力三向性的高低。3.各国标准都只用棒状缺口试样进行试验,而美国标准ASTME 292-69除棒状外还允许采用板状缺口试样。研究表明,棒状和板状缺口试样的断裂形式及应力应变再分布都不同:K_t值相同或相近的两种试样,持久寿命可能相差达数十倍之多。因此,应特别注意这两种试样各自适用的场合。故传统上一律采用棒状缺口试样的做法是不妥的。     

髋关节三维有限元模型的构建及关节囊修复预后分析

目的 构建髋关节置换的三维有限元模型,模拟关节囊修复和术后康复活动,比较两种关节囊修复方法的生物力学差异。方法 以骨-囊-骨方式采集6个冷冻髋关节的后关节囊韧带复合体标本,用万能材料试验机测定标本的载荷-应变曲线等力学特性。采集一名志愿者骨盆及下肢薄层CT扫描数据导入Mimics软件,构建髋关节的三维模型,在CATIA软件中建立臼杯、股骨假体、关节囊的三维数字模型导入Mimics,模拟行全髋关节置换手术（THA）,装配后数据导入ABAQUS软件中,根据解剖研究、力学结果、本构方程设定关节囊属性,测量、比较屈髋过程中,解剖和传统修复关节囊的生物力学差别。结果 关节囊韧带复合体标本测试平均极限拉伸应变（39.21±5.23）%、极限拉伸强度（1.65±0.38）MPa。有限元模型应力-应变曲线与标本力学测试的结果相似,符合关节囊的力学特征,屈髋活动时解剖修复的关节囊应力分布均匀,均在极限拉伸强度范围内,传统修复关节囊应力分布不均,屈髋90°时下部关节囊的拉伸应力达到关节囊标本的拉伸强度极限。结论 有限元模型可用于动态、量化、可视化分析髋关节囊应力分布,解剖修复比传统修复更符合生物力学特点。     

三维有限元方法分析头颈部开窗对股骨近段应力传导的影响

目的采用三维有限元方法研究股骨近端应力传导情况以及头颈部开窗对股骨近端的应力分布的影响.方法选取一例男性健康自愿者, CT扫描,应用建模软件MIMICS及HYPERMESH建立5组股骨近端三维有限元模型(1个对照组;4个开窗组).设置边界条件和加载条件后应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等不同情况进行计算.结果对比分析.结果各组模型结果与实际情况相符合;股骨颈前方均表现为低应力低应变区;模拟单腿站立(2.38 bw)和跳跃(7bw),最大应力值随着窗口增大而增加(单腿站立由49.3Mpa增加到69.8Mpa;跳跃由142.3Mpa增加到177.8Mpa),而最大应变值变化不大(单腿站立:1.002~1.006;跳跃:2.55~2.56).结论在低应力分布区(股骨颈前方)开窗符合生物力学规律,对股骨近端应力影响小,该方法是安全的.     

基于CT灰度赋值的有限元模型建立及其在截骨矫形中的应用

目的探索一种新的有限元建模方法以解决传统建模方法在截骨矫形应用中难以实现原位CT灰度材料赋值的问题。方 法采用CT薄层扫描方式采集1例胫骨外旋扭转畸形的成人断层影像数据,利用Mimics软件对采集的胫骨CT数据进行三维重 建并生成实体模型,结合CAD软件设计截骨矫形定位轴线、旋转角度及参考平面并模拟截骨,将截骨后胫骨模型各部导入有限 元前处理软件中行网格划分并输出,重新在Mimics软件中输入CT图像的灰度-材料赋值关系公式,分别对网格模型进行非均 匀赋值并得到胫骨各部分的赋值模型,最后将各部分模型连同参考轴、参考平面再次在前处理软件中完成截骨后的装配组合, 得到截骨后完整的胫骨有限元模型,并提交模型到有限元求解器完成计算。结果采用本方法建立的胫骨截骨矫形模型同样具 备基于CT灰度的非均匀材料属性,并可用于截骨术后结构的有限元分析。结论本研究提出的有限元建模方法既保留了基于 CT灰度的材料赋值方法的准确性,又能解决传统赋值方法难以实现的骨骼模型部件之间空间变换问题,从而为矫形外科提供 高效、灵活和准确的计算力学分析手段。     

股骨三维有限元快速建模及骨密度值求解的初步研究

运行Ansys命令流文件快速建立股骨三维有限元模型,完成股骨骨密度值的精确求解并进行验证。方法对12侧完整的新鲜成人尸体股骨标本,采用真实测量方法(真实测量组)与有限元分析方法(有限元分析组)测量骨密度值。有限元分析组进行高速薄层CT扫描、Mask文件编辑、初步三维重建、表面光滑处理、输出股骨三维模型、运行Ansys命令流文件1完成网格划分,在Mimics中对股骨三维模型赋予材料属性,完成有限元建模、分析,运行Ansys命令流文件2及文件3,读取体单元的数值及体积,在Excel中完成体单元的体积统计,与相应的密度值的乘积即为各材料属性的质量,从Mimics中直接读取三维模型的体积,求得骨密度值。真实测量组将股骨标本以电子天平精确称重后计算真实骨密度值。2组骨密度值的数据进行单因素方差分析。结果快速完成了12侧股骨标本有限元建模并完成简易的有限元分析;2组骨密度值比较差异无统计学意义(P=0.447)。结论使用Ansys命令流文件的方法可以提高有限元建模的效率;在完成有限元建模的同时可获取精确的骨密度值。     

基于CT图像全颈椎三维有限元模型的建立及验证

目的:建立全颈椎三维有限元模型并进行验证.方法:通过CT扫描机对中国人体50百分位健康成年男性志愿者颈椎进行扫描,获取颈椎骨骼坐标数据,利用Mimics软件将图像坐标数据转换成ASCII格式的点云数据,并利用CATIA软件对点云数据进行前处理,通过Geomagic曲面建模功能完成颈椎几何模型重构,并将几何模型导入到有限元前处理软件Hypermesh.采用映射网格划分法分别对颈椎皮质骨、松质骨、椎间盘以及各主要韧带等结构进行了网格划分和模拟.同时,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,最终建立一个解剖结构描述准确、全面的全颈椎有限元模型.结果:整个模型共有22 512个实体单元,14 180个壳/膜单元.利用颈椎离体坠落实验对模型的有效性进行了验证.结论:模型具有良好的生物逼真度,可应用于研究颈椎在汽车碰撞事故中的动态响应和损伤机制.     

应用CT技术建立磨牙三维有限元模型

目的：研究CT在建立磨牙三维有限元模型中的作用。方法：选一成人为标本,应用CT技术获取牙齿各层截面的解剖轮廓图,借助CT片上的定位方框和Super－SAP91有限元程序建立模型。结果：首次建立了包括牙髓、牙、牙周膜、硬骨板、板质骨和外层皮质骨的三维有限元模型。结论：采用CT技术建立磨牙有限元模型更简便、更准确。     

用Wagner本构方程对聚合物挤出胀大的三维有限元分析

采用有限元方法分析粘弹性聚合物熔体的三维挤出胀大。采用积分型本构方程 Wagner模型描述聚合物熔体的粘弹性记忆特性 ,并引入了非线性衰减函数。对于本构方程中偏应力张量给出了计算方法 ,采用迭代方法求解非线性方程组。并根据自由面处的边界条件 ,确定出口处自由面的最终位置。对圆形流道进行分析 ,结果与轴对称分析和实验相吻合 ,最后对矩型流道进行计算 ,得出挤出物的形状     

腕关节有限元骨性建模及力学分析

目的：探讨基于CT影像数据的腕关节有限元模型构建、受力分析,以期为开展腕关节生物力学有限元分析的研究提供参考。方法：选取1名29岁成年健康男性志愿者,对其右尺桡骨远端到近端指骨进行CT扫描,将所得图像导入Mimics 10.01中,建立腕关节三维有限元模型,将赋予材料属性的模型导入ANSYS10.0中,模拟体外生物力学试验,观测在轴向压力情况下腕关节各结构的应力分布。结果：成功建立了包括桡、尺骨远端,腕骨,掌骨,近端指骨,三角纤维软骨复合体等结构的三维有限元模型,计算并获得了掌骨受轴向压力下各腕骨的应力分布图。结论：在目前的个人计算机平台上依据CT影像资料,利用医学图像处理软件和三维重建软件可以准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型,并可根据模型计算轴向压力下的应力分布,为腕部有限元分析及整个虚拟手的构建提供了技术支持。     

人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义

目的:构建正常人体髋关节的三维有限元模型,作为该部位进一步有限元分析的基础.方法:采用活体髋关节为标本,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标,输入有限元分析软件,并通过确定材料特性参数和网格化,建立髋关节的三维有限元模型.结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为,还原性良好,可以满足有限元分析的需要.结论:采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠,实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行,减少了模型生成的困难.所构建的髋关节三维有限元模型,可以为髋关节力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型.     

颈椎三维有限元模型的建立方法与评价

有限元分析法是用于结构分析的矩阵方法,将一个由无限个质点构成并且有限个自由度的连续体划分成有限个小单元所组成的集合体。应用有限元分析法可对颈椎在生理、病理以及不同治疗条件下的生物力学特性进行分析,本文详细阐述了建立颈椎有限元模型的四项基本原则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法,展望了有限元法应用于颈椎生物力学研究的前景。     

用蠕变内应力预测高温管道残余寿命

用恒应变速率法测定高温管道蠕变内应力并预测其残余寿命,不管是以蠕变极限为失效准则,还是以持久强度为失效准则,都可获得令人满意的结果;而以蠕变极限为失效准则的蠕变内应力法与常规的以蠕变试验为基础的等温外推法相比,还具有试验时间短的优点。