个性化髋关节假体设计及其生物力学性能研究

通用型髋关节假体和个人股骨匹配度不足,易导致应力遮挡率过大。为制备与个人股骨相匹配的髋关节假体,基于人体下肢电子计算机断层扫描（computed tomography,CT）数据,通过逆向工程技术建立股骨实体模型,利用提取的关键特征参数逆向建模,建立个性化髋关节假体模型,采用步态试验确定股骨受力情况,进行有限元分析和电测实验研究其生物力学性能。结果显示,在站立中期的步态载荷下个性化髋关节假体的应力遮挡率在7.64%～38.71%之间,通用型髋关节假体应力遮挡率在16.66%～49.32%之间。个性化髋关节假体可以减小应力遮挡率,可为髋关节假体研究人员提供参考。     

双侧下颌支矢状劈开截骨术后患者可施加合适咬合力的数值研究

双侧下颌支矢状劈开截骨术在临床手术中广泛用于治疗缩颌、凸颌和颌面不对称患者的颌面畸形症状。本文用数值方法研究双侧下颌支矢状劈开截骨术并前移下颌骨后患者可施加的合适咬合力。首先,用缩颌患者的CT断层扫面数据建立下颌骨、关节盘、关节窝和相关软组织的高度几何相似性的几何模型;然后,用有限元模型模拟双侧下颌支矢状劈开截骨术后患者的咬合过程。通过分析发现,术后关节盘上的位移处于正常的范围,而应力却远远超过正常范围,因此,将应力因素作为确定术后患者可施加的合适咬合力的标准。当施加正常咬合力的25%时,关节盘上的应力分布和术前没有显著性差异,同时下颌骨上的应力水平也处于正常范围。     

双侧下颌支矢状劈开截骨术后患者可施加合适咬合力的数值研究

双侧下颌支矢状劈开截骨术在临床手术中广泛用于治疗缩颌、凸颌和颌面不对称患者的颌面畸形症状。本文用数值方法研究双侧下颌支矢状劈开截骨术并前移下颌骨后患者可施加的合适咬合力。首先,用缩颌患者的CT断层扫面数据建立下颌骨、关节盘、关节窝和相关软组织的高度几何相似性的几何模型;然后,用有限元模型模拟双侧下颌支矢状劈开截骨术后患者的咬合过程。通过分析发现,术后关节盘上的位移处于正常的范围,而应力却远远超过正常范围,因此,将应力因素作为确定术后患者可施加的合适咬合力的标准。当施加正常咬合力的25%时,关节盘上的应力分布和术前没有显著性差异,同时下颌骨上的应力水平也处于正常范围。     

国内全髋关节置换磨损测试及数值模拟研究进展

髋关节假体磨损及磨损颗粒所导致的无菌性松动是髋关节置换失败的重要原因. 本文作者对国内髋关节磨损研究时采用的运动学与力学曲线以及针对国人测绘的相应曲线进行了差异性分析,并对国内发表的全髋关节磨损体外模拟机测试试验及结果,数值模拟模型及结果进行了总结、对比和分析. 结果显示:1) 国人测绘的运动学与力学曲线不能直接用于全髋关节磨损评估的加载条件,国内关节力的测量方法仍有待进一步改进;2) 国内体外磨损测试的研究结论与国外发表的结论相似,但不同机构间的测试结果存在一定差异;3) 国内髋关节磨损仿真研究还处于起步阶段,仿真计算得到的磨损率普遍低于体外测试结果. 因此,建立基于国人行为力学的磨损评估标准、对磨损模型进行合理优化并采用有限元和骨肌多体动力学相耦合的分析方法对髋关节假体临床前磨损性能进行评估是未来的研究方向.      

人工全髋关节的理论研究

本文在实践基础上,给出了人体髋关节骨关节面的等高线图示,以关节力学为基础,对一种新结构的ⅩⅡ型人工全髋关节的设计参数进行了理论探讨,并用于实际设计。实践证明,此种新结构人工全髋关节植入人体后能全部恢复人体原有运动功能。     

不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示:CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用. 为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为. 首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响. 结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%. 伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝. 骨陷窝从0°绕$x$轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响. 该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响. 这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.      

骨陷窝--骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用.为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为.首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响.结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%.伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝.骨陷窝从0°绕x轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响.该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响.这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.     

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物（CFRP）-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型,对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析,采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度（冲击能量）是影响冲击力峰值的主要因素;空心率是影响冲击力平台值的主要因素,并且当空心率在0.3~0.7之间时,试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强;冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。     

基于ABAQUS的超高层建筑动力弹塑性抗震分析Dynamic elasto-plastic seismic analysis for a super high-rise building based on ABAQUS

某国际金融中心超高层建筑共113层,结构高度423 m。首先,利用S A P2000软件建立结构的有限元模型,通过基于C＃语言开发的导航式接口程序TJU ．SAP2ABAQUS将SAP2000模型转换为 ABAQUS模型。然后,依据规范进行7°多遇、基本和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。最后,模拟了超大震作用下该超高层结构的破坏过程。结果表明,（1）不同强度地震作用下结构的层间位移角均能满足规范限值要求。（2）罕遇地震作用下,结构满足大震不倒的抗震设防要求且有较高的安全储备。（3）超大震作用下,结构竖向刚度变化位置是结构潜在的薄弱部位,在抗震设计时应给予重点关注。     

摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展

髋关节假体服役过程中会产生高于天然关节的摩擦热,引起假体与滑液温度上升进而改变髋关节假体的松动失效机制.研究摩擦热作用下假体摩擦特性、滑液润滑特性及相关细胞生物学特性,对提高假体体内使用寿命具有重要意义.本文中重点阐述摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展,并对其发展趋势进行展望.     

平面裂纹问题的h, p, hp型自适应无网格方法的研究

无网格方法以其独特的优点：不需“网格”（即节点间的连接信息）划分,特别适合自适应的分析,在分析中只需要高梯度域简单地插入离散点（ｈ型）或保持模型节点数、分布、覆盖大小均不变,中增加高误差覆盖上的函数的多项式阶次（ｐ型）,便可以得到更高精度的数值模型。针对平面弹性问题发展和推导一种显式后验误差指示公式,对平面裂纹实例进行了ｈ型,ｐ型,ｈｐ型三种不同类型的无网格自适应分析,数值分析结果表明了这种自适应     

人工髋关节假体生物力学与生物摩擦学性能评价方法研究进展

人工髋关节假体性能评价关系到其在体内的服役情况，髋关节假体在体内承受的负荷、运动以及体液环境等非常复杂，在体外构建复杂环境用以研究在体内环境下关节假体的服役行为，有助于减少人工关节假体失效和提高患者满意度.本文中通过文献调研的方式，详细阐述了关于髋关节假体的相关评价标准和学者们的评价研究方法，指出了现有评价方法存在的局限性，并提出改善思路.对于关节假体所使用材料的评价，国内外相关机构制定了一系列标准程序，用以评估其力学和摩擦学特征，但对于多孔材料的性能评价仍需进一步研究.对于关节部件的性能评价已形成相关测试标准，但存在评价过于简化等问题，有部分评价方法还处于实验室研究阶段.对于关节假体生物力学性能和运动功能评价，均处于试验室研究阶段.其中，部分性能/功能评价研究较多，但研究中所采用的运动和加载条件与体内真实环境存在差异的问题仍需要进一步解决.建立系统性和层次性的髋关节假体评价体系，施加可近似等效在体服役的环境，平衡各影响因素之间的相互作用对骨科植入物的临床前评估发展具有重要的意义.     

一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第一部分: 模型描述

建立一个完整的解剖基人体下肢二维（矢状面内）生物动力模型,该模型仿真了人体下肢的生物动力运动,并可用来计算人体下肢在冲击外载荷或肌肉活性力的作用下,下肢的重要承力部位－膝关节处的结构力（包括：膝关节的咬合接触力、膝关节处四个主要韧带张力等）和人体下肢的肌肉群力;同时本模型也可用来计算人体下肢在运动期间,膝关节处的咬合位移以及膝关节和髋关节的屈伸位移等。另外,模型还为研究人工关节、人工韧带和人工肌肉     

基于“钉床型”飞片的斜波加载技术及应用

为了实现斜波加载,设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片,即在基座上密排叠加许多小圆锥,简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统,开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验,重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律,以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示:（1）“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的,从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长,形成了斜波波阵面,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面;（2）在飞片击靶速度近似恒定条件下,斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度,随着小圆锥高度增大,上升沿时间呈线性增大,而平台速度峰值呈线性减小;（3）在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下,斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小,平台速度峰值则线性增大;（4）与冲击加载相比,“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响,但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。     

平台结构在冰激励下的平移和扭转耦合共振

用多尺度方法对冰、桩土与海洋平台系统的偏微分非线性动力学模型（见第１部分）进行了摄动分析，发现此系统存在多种组合共振现象，其固有振动频率与模型平台实测结果相符。在主参数内共振条件下，文章讨论了在不同振在型（自激、锁定、强迫）下它的非线性动力学特性，计算结果说明在某冰速范围内模型平台将产生跳跃性的剧烈振动，这与现场观察到的冰激平台共振的现象一致，本文解释了冰激振动的机理，因此为海洋平台结构系统的非线     

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。     

基于WDQ法的粘弹性输流管道稳定性分析

在微分求积法（DQ法）基础上,根据多分辨分析理论,以尺度函数为基础构造插值基函数,形成小波微分求积法（WDQ法）,用该方法研究了简支Kelvin型粘弹性输流管道的稳定性问题,给出了不同参数下管道复频率随内部流速的变化关系,分析了外部流速对Kelvin型粘弹性输流管道在不同延滞时间下的振动特性及稳定性的影响。