人耳传声数值模型

根据健康志愿者(右耳)完整的CT数据,建立了包括外耳道、鼓膜、听骨链、中耳韧带/肌肉以及内耳液体在内的有限元模型,真实完整地再现了其复杂结构及边界约束. 通过鼓膜和镫骨底板位移模拟结果和文献实验数据的比较,说明了本数值模型是可信的. 利用模型进行了外耳、中耳和内耳的声固耦合分析,研究了外耳道、镫砧关节和内耳液体对传声机制的影响. 研究结果表明建立的人耳三维有限元模型对研究其声学力学特性是有效的.      

爆炸冲击波对人体胸部创伤机理的有限元方法研究

通过建立简化的人体胸部三维有限元模型,模拟爆炸冲击波与人体胸部作用,根据人体胸部各个 器官的不同,选择合理的材料模型和参数,提出LS-DYNA有限元程序局部平面波改进方法,研究爆炸冲击波 与人体胸部作用的力学过程。依据人体胸部各个器官运动的速度差,预测创伤的区域分布;给出肺模型的压、 拉应力及剪切应力的变化规律,分析肺的创伤区域的分布,与解剖实验结果基本一致。对比Bowen创伤曲 线,证明人体胸部三维有限元模型可以有效得到冲击波创伤特征。     

复合材料胶接结构有限元分析方法研究进展

胶接结构的强度分析方法可以分为解析法和数值法两类,数值法主要是有限元方法.本文综述了复合材料胶接结构的有限元分析方法,按照胶接结构有限元模型建立的物理机理,将胶接结构力学分析模型分为基于有限元应力分析模型、基于断裂力学模型和基于损伤力学模型3类.详细介绍了这3类模型中的主要有限元建模分析方法:三维应力分析方法、虚拟裂纹闭合技术方法和内聚力模型方法,介绍了每种方法的基本思想、适用范围、优缺点、改进和扩展、有限元建模的实施步骤,以及有限元分析中应用该方法所取得的成果.第五部分从适用范围、应力奇异和破坏判据3个方面对这几种分析模型进行了对比分析.最后,对该领域发展趋势进行了展望.      

一个三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在文献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而建立了一个完整的三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型。     

一个三维人膝关节刚性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而建立了一个完整的三维人膝关节刚性咬合的生物力学模型。     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点，基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法，利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明，数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合，本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性，为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

混凝土冻融损伤本构模型研究

基于各向同性连续损伤力学理论,以损伤条件下的弹性模量和泊松比为变量,基于Ottosen理论模型建立了混凝土冻融损伤破坏准则,并以Ottosen本构理论模型为基础,利用建立的冻融损伤破坏准则构建了混凝土冻融损伤本构模型,并编制了本构模型有限元程序,经过试验验证模型计算结果较为准确,为有限元计算和冻融作用后混凝土结构模拟应...     

基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究

蜗壳流道内的内水压力是引起外围混凝土发生损伤的主要原因.基于流固耦合理论,并引入混凝土弹塑性损伤模型,建立了流体与蜗壳结构耦合振动分析的理论框架,提出了一套水轮机流道内水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动损伤的数值计算方法.首先基于有限体积法建立水轮机蜗壳流道流动的数值模型,同时采用有限元方法建立蜗壳结构固体区域的三维有限元模型;进而将流体区域边界上动水压力作为外荷载实时传递给固体区域边界进行三维有限元非线性损伤瞬态分析,实现了大型水轮机蜗壳结构中流体流场到固体应力、位移场的单向耦合三维数值分析.通过计算分析得到了水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动的响应规律以及混凝土损伤的发展规律.     

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     

多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构,包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织,定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型,根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象,并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看,针对不同的载荷条件,不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.      

三维轮轨法向接触力学行为弹塑性理论分析

基于Hertz接触理论和双线性强化模型,建立了轮轨法向接触弹塑性理论分析模型,分析了轮轨法向接触力学响应特征,讨论了轴重对接触压力和接触变形的影响规律。同时,基于三维轮轨接触有限元模型模拟了轮轨接触力学行为,并引入理论误差系数分析了弹性模型和双线性强化模型对轮轨接触力学响应预测结果的差异性。结果表明,轮轨最大接触压力和接触变形量均随轴重的增大而增大;双线性强化模型的理论误差系数较小,采用双线性强化分析模型能较准确地预测轮轨接触弹塑性力学行为。研究结果可为轮轨系统安全服役和损伤评估提供理论和技术支持。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

颅脑正面碰撞的有限元模拟分析

利用人体脑部的CT图像,建立了一个基于人体解剖学结构的脑部的三维有限元模型.模型生物材料特性分别采用线弹性和粘弹性模型描述.在专业碰撞分析软件PAM-CRASH中,利用建成的颅脑三维有限元模型模拟正面颅脑碰撞过程,得到了碰撞过程的能量、速度、加速度、应力曲线和各个时刻的应力云图,并依据模拟碰撞过程得到的结果进行分析,得出结论.     

前交叉韧带损伤的继发性生物力学影响

前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤往往会导致半月板及周边韧带的继发性损伤. 由于离体实验和临床研究的局限性,损伤的机理仍未得到清晰的认识. 基于核磁共振断层扫面图像重建了一个比较完整和精确的膝关节三维有限元模型. 采用文献报道的解剖测量数据对关节的解剖尺寸进行了检验,证明模型在几何上比较准确. 并且对文献报道的膝关节实验作了模拟,得出的计算结果与实验比较吻合,证明模型能够在一定程度上再现膝关节真实的运动情况. 然后利用该模型对ACL损伤前后的膝关节进行模拟,分别在屈膝0$^\circ$和30$^\circ$的姿态下对胫骨施加前后方向和竖直方向的载荷. 结果表明, ACL的损伤改变了关节组织上的应力分布:内侧半月板后段的应力显著增加;外侧半月板、后交叉韧带以及侧副韧带上的应力改变程度则取决于载荷的类型和屈膝的角度. 该研究有助于认识ACL损伤之后周边组织的继发性损伤现象,并对容易诱发损伤的高危动作进行分析和预防,对研究ACL的损伤和治疗具有重要的意义.      

爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤

为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明:在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。     

脊柱L3-L5段机械模型的力学特性分析

借助计算机辅助设计软件SolidEdge,根据人体解剖学数据建立了人体脊柱L3-L5段近似三维几何模型,并利用有限元分析软件ANSYS进行赋值,模拟了脊柱L3-L5段的结构特性、材料特性、接触特性。将椎骨划分为皮质骨、松质骨等结构,用接触连接的方法模拟了椎骨与椎间盘之间、小关节之间的连接情况,采用实体单元Solid187对其进行网格划分。对该三维有限元模型进行加载分析,得到其在200N轴向力作用下和100N侧向力作用下的应力和变形数据,该数据可以为脊柱生物力学的研究和侧凸脊柱的病因及矫正提供一定的参考依据。     

爆炸冲击波对肺损伤的数值模拟

采用数值模拟方法,分析了人体胸部在自由空间爆炸场中受冲击波作用的力学过程。利用Mimics 软件对CT图像进行处理,建立人体胸部三维模型。根据人体胸部各生物组织的特性,选择合理的材料模 型和参数,并利用LS-DYNA有限元程序中流固耦合方法,计算分析冲击波作用于人体胸部肺的受力过程。 通过计算获得冲击波入射超压峰值和正压持续时间,参照Bowen损伤曲线评估出肺处于Dc 与D1损伤状态 之间。观察肺部应力变化过程,获得肺部表面的正应力变化规律和损伤最严重的区域。分析剪切应力变化规 律,了解肺受切应力作用损伤的可能性。     

损伤因素对单层平面索网静力性能影响研究：有限元分析与试验验证

运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,对横索与竖索连接节点失效、索预应力损失和锚固端失效这三种损伤因素的不同损伤工况下,单层平面索网结构的受力性能进行了非线性有限元分析,并与相应的试验结果进行了全面对比分析。结果表明：本文的有限元模型能够准确地分析计算上述三种损伤因素对单层平面索网结构受力性能的影响,包括结构...     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一，在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤，进而显著影响材料的力学性能，造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命，还是设计新型的抗辐照材料，都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息，然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应，但是往往需要基于已知的物理模型，并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁，是揭示大量微结构的累积相互作用机理，建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代，起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法，并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。