关键词： 股骨颈骨折   内固定   有限元分析   生物力学   单腿站立   侧方跌倒   股骨距   Ward三角  

摘要： 背景:治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的最佳内固定方式仍未达成共识,既往相关有限元分析大多采用单一简化载荷条件,对于常用内固定装置的生物力学特性还需进一步探究。目的:通过有限元方法分析空心加压螺钉、动力髋螺钉和股骨颈系统治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折在单腿站立载荷及侧方跌倒载荷条件下的生物力学特性。方法:通过CT扫描获取健康成人股骨DICOM数据,导入Mimics 15.0软件,得到骨组织的粗糙模型,再通过Geomagics软件对Mimics导出的数据进行优化处理,然后根据空心加压螺钉、动力髋螺钉和股骨颈系统的临床应用参数采用Pro/E软件建立3种内固定模型并与股骨模型组装,最后导入Ansys软件进行加载、计算,分析3种内固定模型在单腿站立载荷及侧方跌倒载荷的不同工况下股骨和内固定的应力分布和位移情况,以及股骨距和Ward三角区的应力特点。结果与结论:(1)单腿站立载荷及侧方跌倒载荷下,3种内固定模型的股骨近端应力均主要分布在股骨颈骨折端内上方,3种内固定模型的股骨近端、骨折端、Ward三角以及股骨距的应力峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(2)单腿站立载荷及侧方跌倒载荷下,3种内固定模型的股骨近端位移峰值均位于股骨头顶端,且位移峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(3)3种内固定模型在单腿站立及侧方跌倒载荷条件下内固定的位移峰值均位于内固定装置上方顶端,且位移峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(4)3种内固定模型在单腿站立及侧方跌倒载荷条件下内固定的应力均主要集中在内固定装置的骨折端附近区域,且内固定应力峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(5)结果表明,股骨颈系统的机械稳定性最佳,但是可能存在对于骨折端和股骨距应力遮挡的风险;股骨颈系统的内固定装置应力更为分散,内固定断裂风险更低。

关键词： 膝   单髁置换   骨质疏松   股骨组件   生物力学   有限元分析  

摘要： 背景:骨质疏松患者行单髁置换过程中,股骨假体的合理置入范围尚未见研究,既往的相关研究常建立在正常骨质的单髁置换模型上,而对于非正常骨质模型的力学研究较少。单髁置换后的并发症已经被证实与骨质疏松高度相关。目的:采用有限元法分析Sled固定平台股骨假体冠状倾斜度对骨质疏松患者单髁置换后生物力学的影响,并且寻找骨质疏松与单髁置换后中远期并发症的相关性。方法:基于数字化影像技术获取膝关节和假体的数据,再通过Mimics、Geomagic studio等专用软件建立一个正常骨质膝关节模型。基于已验证的正常骨质膝关节模型,通过改变材料参数创建骨质疏松膝关节模型。以Sled固定平台股骨假体标准位置(0°)为基准,正常骨质组与骨质疏松组分别依次建立股骨假体内、外翻3°,6°,9°,共计14个单髁置换模型,计算并分析所有单髁置换模型中聚乙烯衬垫表面、胫骨假体下松质骨和皮质骨的应力变化。结果与结论:(1)在骨质疏松模型中,聚乙烯衬垫表面和胫骨假体下松质骨的高应力值随股骨假体倾斜角度的增加而增加,胫骨假体下皮质骨表面的高应力值随假体外翻角度的增加而增加,随内翻角度的增加而减小;(2)对于聚乙烯衬垫表面以及胫骨假体下皮质骨表面,骨质疏松组各倾斜角度模型的高应力值均大于正常骨质组中对应的模型;对于胫骨假体下松质骨表面,骨质疏松组各倾斜角度模型的高应力值均小于正常骨质组中对应的模型;(3)骨质疏松可能会引起单髁置换术后膝关节内部结构的生物力学异常,增加术后假体无菌性松动和假体周围骨折的潜在风险;骨质疏松性膝关节行Sled固定平台内侧单髁置换时应尽可能避免股骨假体在冠状面上内翻/外翻。

关键词： 输油管道   潮汐冲刷   有限元   应力   悬空长度  

摘要： 滩海地区的输油管道在常年潮汐冲刷作用下,部分管段周围土体被潮汐搬运形成悬空状态,悬空管段在潮汐的周期性冲刷下极易产生变形断裂,对管道运行安全和维护造成了严重影响。针对上述情况,首先对悬空管道进行应力分析,建立悬空管道静力学分析物理模型,进而根据现场调研选取2种不同管材,4种不同管径的悬空管道为实验对象,共8组,运用Comsol软件对8组悬空管道进行不同悬空长度下的应力应变数值模拟研究,通过与2种不同管材的屈服极限对比,最终得到了8组悬空管道的极限悬空长度,并用Origin Lab软件对悬空长度和应力关系进行了拟合,证实了悬空长度与应力呈线性正相关。实验结论可对类似的现场工况提供理论依据,对悬空管道的检查和维护起到一定的指导作用。

关键词： 膝关节   全膝关节置换   非对称型假体设计   生物力学   有限元分析  

摘要： 背景:全膝关节置换是治疗膝关节晚期病症的有效手段,但假体衬垫容易因内部应力变化而产生磨损失效,寿命有限且术后患者的活动能力降低。如何对假体进行改进设计来满足患者更多的需求是假体研究的重要方向。目的:基于半月板的形态设计一种非对称型假体,并与对称设计的后稳定型假体进行比较,分析2种假体的应力分布情况和衬垫的接触面积变化,以探究非对称型假体设计是否存在优势。方法:通过有限元方法对1例膝骨关节炎患者进行模拟截骨和假体装配,建立基于非对称型假体及对称设计的后稳定型假体的全膝关节置换术后膝关节模型。在0°,10°,20°,30°的屈膝条件下,探究股骨假体、胫骨假体以及衬垫上的Mises应力,并通过对比衬垫内外侧的接触面积,分析全膝关节置换后膝关节生物力学变化和运动行为的改变。结果与结论:(1)在0°-30°的屈膝过程中,2种假体衬垫上的Mises应力峰值均表现出先减小后增大的趋势,且内侧始终大于外侧。(2)非对称型设计的假体与后稳定型假体相比,应力峰值更低;在屈膝30°时,非对称型假体衬垫内外侧的Mises应力峰值分别为15.81 MPa和11.95 MPa,后稳定型衬垫为16.70 MPa和13.76 MPa,两者内侧差值约为5.33%,而外侧则相差13.15%;对比股骨假体和胫骨假体上的Mises应力峰值,非对称型假体在屈膝过程中始终低于后稳定型假体。(3)在0°站立位时,后稳定型假体衬垫的内侧接触面积为17.96 mm^(2)、外侧为34.10 mm^(2);而非对称型假体衬垫的内外侧接触面积分别为105.47 mm^(2)和107.80 mm^(2),具有更大的接触面积且两侧差距更小。(4)结果表明,非对称型假体的生物力学表现更好,且能够对维持膝关节稳定性、提升关节活动度有所帮助。这种设计能够在一定程度上还原膝关节以内侧髁为轴进行外旋的运动机制,是一种更为有效的膝关节假体选择方案。

关键词： 圆形筒仓   深、浅仓模型   有限元   边缘效应  

摘要： 圆形筒仓设计充分利用了薄壁筒壳结构的优越性,薄壁的配筋与受力、边缘效应、地震等因素有关,在设计过程中需要重点考虑。基于某实际工程案例,采用Midas Gen进行了整体建模计算,通过深仓贮料和浅仓贮料计算了筒仓侧壁的受力,并对各荷载工况进行了分析。由于地震力对筒仓会产生较大影响,分析了不同地震工况下地震力的大小。在此基础上,贮料荷载对于仓壁的水平作用较为明显,通过荷载组合对筒仓侧壁进行设计研究。总结了侧壁配筋的控制因素,为筒仓设计提供帮助。

关键词： 空间异形钢结构拱桥   拱脚   有限元分析   预应力钢束  

摘要： 空间异形钢结构拱桥设计计算比较复杂,以锦言大桥为例,对空间异形钢结构拱桥拱脚钢混结合段进行有限元建模分析,采用板单元模拟钢结构,采用实体单元模拟混凝土结构,采用线单元模拟预应力钢束。根据桥梁总体结构模型最不利作用组合计算结果获取钢拱肋在拱脚位置结构受力,通过对拱脚相关构件进行分析计算,提出拱脚的设计思路及施工注意事项,为相关桥梁提供一些参考价值。

摘要： 近年来，随着经济和交通基础设施建设快速发展，尤其在桥梁工程方面取得了一定的科研成果，但一些工程问题愈加复杂而棘手。桥梁承台施工时，大体积混凝土重要性不言而喻，它承载能力强，施工便捷，并具有一定的经济性。大体积混凝土施工中的水化反应会产生热量，导致温度升高和产生裂缝，对结构安全和耐久性造成严重影响。同时混凝土的保温性会造成内外温差，因此需要有效的温度控制来保障施工质量。在这一背景下，大体积混凝土承台的水化热开裂问题成为工程领域广泛关注的焦点。

关键词： 发育性髋关节发育不良   软骨   固液双相纤维增强   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:发育性髋关节发育不良由于髋臼、股骨头存在结构、大小及方向等方面的畸形,患者长时间活动或站立会引起腹股沟疼痛,如果得不到有效的治疗,患者的正常活动将严重受限。目的:基于FEBio建立具有固液双相纤维增强软骨的球-窝髋关节有限元模型,探究发育性髋关节发育不良患者和正常人髋关节软骨的生物力学特性。方法:对1名发育性髋关节发育不良患者和1名正常志愿者进行髋关节建模,模型包含左盆骨、左股骨及附着其上的软骨。验证正常髋关节固液双相纤维增强软骨模型有效性后,建立髋关节发育不良患者髋关节有限元模型,对比两者在单腿站立时(2 130 N静态载荷)软骨的接触应力、流体压力、固相等效应力和流体支撑率的差异。结果与结论:(1)与正常髋关节相比,载荷加载完成后1 s(承载初期),发育性髋关节发育不良患者髋臼软骨出现明显的边缘接触,且峰值接触应力(3.86 MPa)和峰值流体压力(3.76 MPa)均大于正常髋关节软骨;(2)1 500 s(承载稳定)后,2个模型软骨峰值接触应力和峰值流体压力均减小,但发育性髋关节发育不良患者软骨接触位置由软骨边缘向中心移动,流体支撑率由97.41%下降到91.08%,正常髋关节软骨流体支撑率下降了0.58%,由95.24%下降到94.66%;(3)提示单腿站立生理载荷下,发育性髋关节发育不良患者软骨出现明显的边缘载荷,其峰值接触应力、流体压力和流体支撑率的下降幅度均大于正常软骨,考虑软骨的固液双相纤维增强特性对于评估髋关节发育不良患者髋关节软骨的生物力学性能、理解髋关节发育不良病理生理机制和制定术前计划具有重要的临床意义。

关键词： 青少年腰椎间盘突出症   椎间融合器   内固定   融合器高度   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:青少年腰椎间盘突出症是引起青少年腰疼的主要病因,目前绝大多数患者通过保守治疗干预,而当长期的非手术治疗尝试后,患者的症状没有得到充分缓解或者当患者出现神经麻痹或马尾神经受压的症状时,手术可能是防止进一步损伤的必要手段,而选择合适的椎间融合器至关重要。目的:探究青少年腰椎间盘突出症患者置入不同高度微创椎间融合器固定后对腰椎生物力学的影响。方法:采集一名17岁男性青少年腰椎间盘突出症患者(L4-5节段突出)的CT扫描资料,MIMICS三维重建后,选择用与实验对象椎间隙等高和高于椎间隙3 mm椎间融合器进行分析,设计重建两种可膨胀混合材料椎间融合器:融合器L前高11 mm、后高9 mm、宽9 mm、长28 mm;融合器H前高14 mm、后高11 mm、宽11 mm、长28 mm,并对腰椎融合器进行建模。将融合器与腰椎模型经过优化处理,逆向建模后导入ABAQUS并最终得到腰椎融合三维模型。模拟人体腰椎后伸、前屈、右侧弯、左侧弯等生理活动,得到相应应力云图,观察L4-5椎体在7种不同工况下的生物力学特征。结果与结论;(1)两种融合器终板最大应力均在前屈和后伸工况,前屈工况H融合器上、下终板应力值为(18.27±3.80)MPa和(15.02±3.24)MPa;L融合器上、下终板应力值为(9.16±0.05)MPa和(9.17±1.83)MPa;后伸工况H融合器上、下终板应力值为(19.11±4.03)MPa和(16.32±3.72)MPa;L融合器上、下终板应力值为(9.13±0.01)MPa和(4.92±1.01)MPa;(2)除中立位L5上终板,其余不同工况下H型融合器终板应力值均大于L型融合器终板,差异有显著性意义(P<0.05);(3)同一椎间隙中选择高度超过椎间隙高度3 mm的椎间融合器更稳定。

关键词： 股骨颈基底部骨折   有限元分析   股骨近端防旋髓内钉   股骨颈动力交叉钉系统   生物力学  

摘要： 背景:股骨颈基底部骨折生物力学稳定性差,治疗方案与传统股骨颈骨折有所差别,目前临床上治疗青年股骨颈基底部骨折的手术方案仍未达成统一。目的:通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉与股骨颈动力交叉钉治疗股骨颈基底部骨折的生物力学特征。方法:首先使用Mimics Medical 21.0软件提取健康青年女性志愿者右侧股骨CT数据建立初步模型;然后将该模型导入Geomagic Wrap 2021软件进一步光滑处理;利用SOLIDWORKS 2021软件建立股骨颈基底部骨折模型、股骨近端防旋髓内钉模型、股骨颈动力交叉钉模型并进行装配;最后将装配后的模型导入Workbench 2021 R1软件进行生物力学分析。结果与结论:(1)应力分布:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近及股骨内侧,应力峰值为151.90 MPa;股骨颈动力交叉钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近,应力峰值为290.74 MPa;股骨近端防旋髓内钉内固定应力主要分布在螺旋刀片及主钉近端,应力峰值为102.95 MPa;股骨颈动力交叉钉内固定应力分布主要由支撑棒向两边延伸,应力峰值为184.69 MPa;(2)总位移:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型最大位移为4.032 3 mm,股骨颈动力交叉钉组股骨模型最大位移为4.648 9 mm,最大位移均位于股骨头;股骨近端防旋髓内钉组内固定与股骨颈动力交叉钉组内固定位移峰值分别为2.709 4 mm与3.130 3 mm,两组内固定位移均主要集中在内固定近端,逐渐向远端递减;(3)提示在股骨颈基底部骨折的模型中,无论是股骨模型还是内固定模型,股骨近端防旋髓内钉相较于股骨颈动力交叉钉应力分布更分散、应力峰值更低、股骨头位移更小,生物力学稳定性更优。