关键词： 前后环骨折   前皮下内固定   骶髂螺钉   有限元分析  

摘要： 目的:通过有限元分析法评估双前皮下内固定支架(anterior subcutaneous internal fixation,INFIX)在骨盆C1型骨折中的生物力学稳定性,并与INFIX联合骶髂螺钉比较判断其是否足够替代前后环联合固定。方法:将1名43岁女性志愿者的骨盆CT数据导入至计算机并使用Mimics、Workbench等软件构建正常骨盆模型和骨盆C1型骨折模型,并对后者分别使用双INFIX和INFIX联合骶髂螺钉进行固定,首先验证正常骨盆模型在解剖标志和应力传导及位移分布上的有效性,然后对两种内固定模型施加500 N垂直向下的载荷力并分别模拟人体站立位和坐位,采集前后环骨折端的位移、内固定的应力及骨质中钉道的应力等数据。结果:模型通过了有效性验证。站立位双INFIX组的前环和后环骨折最大移位分别为0.861 mm和4.128 mm,均大于联合固定组的0.152 mm和0.293 mm;坐位双INFIX组的后环骨折移位是3.757 mm,大于联合固定组的0.560 mm,而前环骨折最大位移是0.221 mm与联合固定组的0.194 mm差距不大。站立位双INFIX组内固定最大应力大于联合固定组,坐位则相反,各内固定最大应力均低于钛合金的屈服强度790 MPa。站立位和坐位双INFIX组的钉道最大应力均小于联合固定组,所有钉道应力均低于骨质的强度极限290~540 MPa。结论:前后环骨折中双INFIX固定的稳定性整体上不如INFIX联合骶髂螺钉固定,单纯的双INFIX固定虽能为后环分担一部分负荷,但后环依旧会产生较大的移位,因此后环的固定很重要。此外,双INFIX在前环的固定强度和稳定性要优于INFIX,当INFIX不能提供足够的强度来稳定前环骨折时,双INFIX将是一种很好的选择。

关键词： 骨支抗式快速扩弓   牙支持式快速扩弓   前方牵引   三维有限元分析   骨性Ⅲ类错[牙合]  

摘要： 目的·应用三维有限元分析法比较骨支抗式和牙支持式快速扩弓联合前方牵引对颅颌面骨缝、骨骼点、骨骼及上颌牙列的作用效果,以指导临床上选择合适的牵引方式及位置。方法·选取一名替牙列期骨性Ⅲ类错[牙合]伴上颌发育不足的青少年的锥形束计算机断层扫描(cone beam computed tomography,CBCT)影像,建立上颌复合体的三维有限元模型(包括颅颌面骨缝、骨骼点、骨骼及上颌牙列),并在此基础上分别建立骨支抗式、牙支持式快速扩弓联合前方牵引三维有限元模型,而后将前述模型组装成为上颌复合体和骨支抗式快速扩弓联合前方牵引三维有限元模型(模型1)、上颌复合体和牙支持式快速扩弓联合前方牵引三维有限元模型(模型2)。依次根据扩弓方式、牵引位置的不同,在模型1、2中分别建立以下工况:①根据扩弓方式,将模型1设置为A组,模型2设置为B组。②根据牵引位置,将上述2组继续分为试验组Ⅰ组(牵引钩位于双侧尖牙颊侧)、Ⅱ组(牵引钩位于双侧第一前磨牙颊侧)和Ⅲ组(牵引钩位于双侧第二前磨牙颊侧)。同时,分别将A、B组中不联合前方牵引设置为对照组(即为A0组、B0组)。采用图表分析的方法对A、B组在不同牵引位置时的颅颌面骨缝应力分布特征,以及颅颌面骨骼点、颅颌面骨骼及上颌牙列的位移趋势进行分析。结果·在颅颌面骨缝应力分布特征方面,A、B组中翼突上颌缝的等效应变最大,且随着牵引位置的后移其等效应变均逐渐增加;AⅠ组各骨缝的最大主应变大于BⅠ组。在颅颌面骨骼位移趋势方面,随着牵引位置的后移,在水平向上A、B试验组的鼻骨和上颌骨均向右移动且位移趋势逐渐减小,在矢状向上该2组的鼻骨均向后移动且位移趋势均减小、上颌骨均向前移动且位移趋势均增大,在垂直向上该2组的鼻骨均向下移动且位移趋势逐渐减小、上颌骨均向上移动且位移趋势逐渐减小。在颅颌面骨骼点(ANS、PNS)位移趋势方面,A组中上颌平面(ANS-PNS平面)发生顺时针旋转,且随着牵引位置的后移该平面顺时针旋转趋势减小;而B组中ANS-PNS平面发生逆时针旋转,且随着牵引位置的后移该平面逆时针旋转趋势更加明显。在上颌牙列位移趋势方面,A、B试验组的中切牙在水平向、矢状向、垂直向上的位移均为负值,即存在远中、唇向、伸长的位移趋势,第一磨牙在水平向上的位移均为负值,即存在颊向位移趋势;且随着牵引位置的后移,中切牙牙冠的唇向移动趋势增大,第一磨牙牙冠从远中移动变为近中移动。结论·临床上前方牵引位置放于后侧有利于上颌骨前移;骨性Ⅲ类错[牙合]青少年患者可选择不同的扩弓方式联合前方牵引,在实现上颌骨前移的同时实现上颌平面的有利旋转。

关键词： 自由面流动   不可压缩格子Boltzmann模型   流体体积   水平集  

摘要： 作为实际工程应用中重要的两相流问题,自由面流动具有两相密度比大、Reynolds数(Re)高和相界面(自由面)拓扑变化复杂等特点.为实现该类流动问题的数值预测,需准确捕捉/追踪自由面位置.本文发展了一种耦合流体体积(volume-of-fluid, VOF)和水平集(level-set, LS)方法的自由面流动格子Boltzmann(lattice Boltzmann, LB)模型.在该模型中,针对传统自由面流动模拟中存在的压缩性影响与稳定性限制,采用多松弛时间(multiple relaxation time, MRT)不可压缩LB模型对流场进行求解.基于VOF的思想,引入流体体积分数表征自由面信息,通过介观不可压速度分布函数的迁移过程实现自由面流体体积分数的更新与界面演化,避免了传统VOF方法的复杂界面推进与更新过程.为准确求解自由面几何信息,通过界面重构的方法将流体体积分数转换为LS函数并计算界面法向量和曲率,减少了相较于采用高阶格式求解LS方程带来的计算量,且与采用VOF方法计算相比,具有更高的计算精度.最后通过溃坝问题和液滴撞击薄液膜等典型算例证明了所发展模型的准确性.该模型为自由面流动问题提供了一种新的求解思路.

关键词： 声振耦合系统   拓扑优化   混合有限元   边界元   多材料设计  

摘要： 针对结构和外声场相互作用的声振强耦合系统,建立了基于混合有限元-边界元的多材料拓扑优化设计方法。为处理优化过程中声振耦合面的变化,设置固定的虚拟界面将计算域划分为有界域和无界域,分别由混合位移-压力有限元方法(混合有限元方法)和边界元方法进行离散。运用混合有限元方法能够避免对声振耦合面的显式表征,且能使有限元与边界元离散交界面固定不变,有效减少计算成本。运用有序固体各向同性材料惩罚模型,建立单一设计变量下的多材料拓扑优化模型。以结构的辐射声功率级作为优化的目标函数,并采用伴随变量法进行灵敏度分析,最后通过移动渐进线优化算法对优化问题进行求解。通过基于Heaviside函数的分段投影密度滤波器进行优化后处理,得到数值稳定的多材料优化设计。数值模拟表明,该研究建立的多材料优化方法不仅具有高优化灵活度,同时可以降低声振耦合系统的辐射声功率级,是一个有效的拓扑优化方法。

关键词： 代数多重网格法   自适应有限元   各向异性   直流电阻率   起伏地形  

摘要： 在各向异性、起伏地形、真实地质模型电法模拟中,经自适应有限元离散后形成的大型稀疏线性系统存在内存消耗高、求解效率低等缺陷。为此,提出了聚合型代数多重网格(AGMG)法与自适应有限元法的联合算法,在提高正演精度的同时提升计算效率,实现复杂模型三维直流电法大规模正演模拟。对于三维直流电法满足的二阶椭圆边值问题,采用非结构化四面体网格的有限元法离散,并通过自适应策略进行局部加密,再利用AGMG法求解离散形成的大规模稀疏线性方程组。最后,通过复杂地电模型和实际地质模型验证了联合算法的有效性。在千万级自由度的求解中,联合算法比传统迭代法快了20多倍,比代数多重网格法快了近10倍,随着模型复杂度的提高,联合算法的效率优势更加明显。

关键词： 高空台   篦齿封严   有限元分析   泄漏特性   优化设计  

摘要： 针对高空台流量管与导流盆连接结构减小气体泄漏、避免出现反向进气压力过大导致结冰的设计要求,开展不同内径流量管新型篦齿密封特性及结构参数优化研究。建立了高空台新型流量管篦齿密封结构有限元模型,并开展了新型流量管篦齿密封结构泄漏特性实验研究。基于数值模拟与试验,研究了流量管内径对密封性能的影响规律。根据Box-Behnken响应面设计法,选取不同流量管内径下的密封间隙、控制口数量以及孔型出口数量为优化参数,进行新型篦齿密封结构参数优化设计研究。结果表明:仿真泄漏量与试验值相比最大误差不超过7%,证明了本文仿真模型的有效性;当结构内径由1 m增大到3 m,密封泄漏量由0.021 kg/s逐渐增加到0.162 kg/s,增幅高达671.4%;内径1 m,2 m和3 m篦齿密封结构经优化后,最大流速分别减小了16.1%,14.3%和9.7%,泄漏量分别降低50.74%,98.50%和97.52%。本文研究为高空台新型流量管篦齿密封结构优化设计提供了有效方法,也为流量管尺寸规范化设计提供了技术支撑。

关键词： 输电线路   跨越架   结构设计   优化   有限元分析  

摘要： 输电线路跨越架是电力输送系统中的关键结构,其设计优化对提高电力系统的稳定性和安全性具有重要意义。本文首先分析跨越架设计的基本原理,包括结构组成、材料选择、荷载分析等关键因素。在此基础上,引入现代结构优化理论,提出一套综合考虑材料力学性能、环境影响和经济性的优化设计方法。通过有限元分析和多目标优化算法,对跨越架的结构布局和材料配置进行了优化设计。研究结果表明,优化后的跨越架在满足安全和功能要求的同时,显著降低了材料使用量和建设成本。

关键词： 链式拉拔机   拉钩   有限元   Kriging模型   多目标遗传算法  

摘要： 为解决链式拉拔机重量大、生产成本高等问题,需要在保证使用性能的前提下,尽可能减轻重量。针对这一问题,以链式拉拔机上重要零部件之一的拉钩为研究对象,利用Kriging模型和多目标遗传算法(MOGA)对其结构进行了优化设计。首先建立拉钩的有限元模型和数学模型,确定优化目标并设定边界条件;其次,对各设计参数进行相关性分析后,通过最优空间填充方法和Kriging模型建立各输入、输出变量的响应面模型;最后利用MOGA算法对关键设计参数进行优化求解,得到拉钩结构的最优参数。结果表明:优化后的拉钩模型预测的最大等效应力为97.009 MPa,最大变形量为0.72861 mm,都在允许范围之内,此外其质量从29.729 kg减轻到22.743 kg,降幅达到23.5%,说明此优化方法具有良好的优化效果。

关键词： 股骨头坏死   臀中肌宽度比   髋关节内侧间隙比   塌陷   力学机制  

摘要： 背景:臀中肌不仅可外展髋关节,在限制股骨头外移方面也起到重要作用。目前,尚缺乏臀中肌状态与非创伤性股骨头坏死塌陷的相关研究。目的:探讨臀中肌宽度比、髋关节内侧间隙比与非创伤性股骨头坏死病程进展的关系,通过有限元分析探讨臀中肌萎缩对股骨头坏死股骨头表面、坏死区应力的影响。方法:回顾性分析广州中医药大学第三附属医院收治的单侧非创伤性股骨头坏死患者,所有患者均随访2年以上,根据随访过程中是否出现股骨头塌陷分为塌陷组和未塌陷组,测量并计算患者髋关节内侧间隙比、臀中肌宽度比、Sharp角、臀中肌长度比及臀中肌激活角,对比两组间差异。于初次就诊、随访3,6,12,24个月测量并计算内侧间隙比和臀中肌宽度比,探究这2个指标在非创伤性股骨头坏死病程进展中的变化情况。此外,通过三维有限元分析技术,基于CT数据构建日本骨坏死研究会分型C1型股骨头坏死骨性模型;同时基于MRI数据构建臀中肌模型,分为臀中肌萎缩组(臀中肌宽度比74%-76%)及臀中肌正常组(臀中肌宽度比94%-96%),每组构建10个模型,约束股骨远端的6个自由度为零,对骶骨上表面沿Z轴施加600 N压力。对比两组模型股骨头表面、坏死区应力分布情况、最大应力值及坏死区最大位移。结果与结论:①共纳入153髋153例患者,男67例,女86例;②24个月随访时,塌陷组内侧间隙比显著高于非塌陷组(P<0.05),塌陷组臀中肌宽度比显著低于非塌陷组(P<0.05);两组的Sharp角、臀中肌激活角及臀中肌长度比差异无显著性意义(P>0.05);③随访时间超过3个月起,塌陷组臀中肌宽度比均低于非塌陷组(P<0.05);随访时间超过12个月起,塌陷组内侧间隙比均高于非塌陷组(P<0.05);④Pearson相关分析显示塌陷组随访时间与内侧间隙比呈显著正相关(P<0.05),随访时间与臀中肌宽度比呈显著负相关(P<0.05),且臀中肌宽度比的回归系数比内侧间隙比大;⑤臀中肌萎缩组股骨头表面出现显著的应力集中,且应力区明显靠外侧,臀中肌萎缩组股骨头表面最大应力显著大于臀中肌正常组(P<0.05);臀中肌萎缩组坏死区出现了明显的应力集中,且最大应力位于坏死区边缘;臀中肌萎缩组坏死区最大应力、最大位移均显著大于臀中肌正常组(P<0.05);⑥提示臀中肌宽度比可以作为一个有效评估臀中肌萎缩改变的指标;随着臀中肌萎缩髋关节内侧间隙增宽,导致股骨头外移,影响髋关节稳定,引起股骨头表面及坏死区应力及位移均增大。

关键词： 外伸横梁   钢箱梁桥   多尺度有限元模型   剪力滞  

摘要： 通过分别建立“单梁有限元模型”和“梁-板单元多尺度有限元模型”,对带外伸横梁的钢箱梁桥主梁-横梁连接节点的受力特性进行了计算分析,以对该类型桥梁的节点处构造设计提供参考。计算结果表明:由于节点处主梁和横梁的传力模式存在差异,因此多尺度模型主梁跨中和横梁跨中的最大挠度相比单梁模型分别偏小约11.46%和33.73%;连接节点处主梁和横梁顶、底板剪力滞现象较显著,耳墙主梁悬挑翼板在与横梁连接处正应力较大,同时腹板应力集中问题突出;针对上述结构受力特性,针对性地提出了减小主梁宽跨比、增加应力较大处板厚、顶板折角处设置圆弧过渡、采用钢-UHPC轻型组合桥面结构等优化建议。