低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究

建立了 L4/L5段人体腰椎关节的非线性多孔弹性单元有限元模型，并对该模型进行了轴向静力（0Hz)和低频(0.01 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz)振动作用各1小时的仿真研究，对比了在不同频率振动作用下人体脊椎组织的多孔弹性单元力学特性。结果表明：在相同振幅和时间内，与低频(0.01Hz、0.1Hz)相比，相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)作用下的椎间盘组织产生的轴向位移较大，髓核和纤维环的孔压应力均呈现逐渐上升的趋势；与此同时，髓核的有效应力逐渐增加，而纤维环的有效应力却逐渐减少；在相对较低频率(0.01Hz、0.1Hz)作用下的各项力学特性指标与静力作用下的相比，差值均在3%以下；加载时间超过600s 后，振动频率的增加更容易使椎间盘轴向位移增大；相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)振动作用下髓核和纤维环内的孔压值逐渐升高，而静力压缩和相对较低频率(0.01 Hz、0.1 Hz)振动作用下孔压值却逐渐降低；不断增加的孔压应力使椎间盘内的体液流失速率变大，导致椎间盘退化。     

腰椎椎间植骨融合有限元分析

为了评估植骨融合术对腰椎运动和应力分布的影响, 利用影像诊断技术(CT扫描) 和CAD三维重建技术获得人体腰椎三维模型, 椎间盘纤维环采用各向异 性纤维加强超弹性本构模型, 建立了包括椎体、椎间盘和韧带的正常有限元模型以 及L3-L4融合的腰椎L2-L4节段有限元模型, 并通过对比模拟和实验结果验证其有效 性. 利用商业有限元软件ABAQUS/Standard 进行前屈、后伸和轴向旋转载荷情况下 的模拟分析, 对比两种模型在不同状态下的运动范围及应力分布情况. 模拟结果显 示: 在相同的载荷情况下, 融合模型的运动范围和正常模型相比明显偏小; 相邻椎 体的应力分布与正常模型明显不同, 但植骨融合对相邻椎间盘的影响相对较小. 此 外, 小关节对维持脊椎正常生理功能起着重要作用, 小关节功能丧失会使相应节 段的椎间盘髓核压力增大.     

不同载荷频率下有砟铁路道床累积沉降特性的离散元分析

为研究有砟道床在高频载荷作用下的累积沉降规律,建立工程尺度下枕木-有砟道床的离散元计算模型。考虑道砟的非规则真实几何形态,利用不可破碎的簇颗粒模型近似构造。在10 Hz～100 Hz载荷频率区间内,对比分析枕木位移以及道砟颗粒在垂向和横向上的运动分布规律,研究分析道床在循环正弦载荷作用下的动力特性。数值结果表明,在载荷频率不超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而逐渐增大;当载荷频率超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而急剧增大,并在载荷频率为80 Hz时达到最大值,而后道床累积沉降量随着频率的提高反而逐渐减小。此外,分析对比不同载荷频率下道床速度场分布及典型位置道砟的加速度等物理量,发现80 Hz的载荷频率下道床离散元模型的振动最强烈。     

舰载机拦阻钩索滑摆动载荷特性研究

针对舰载机钩偏着舰时拦阻钩沿拦阻索侧向滑摆运动,运用仿真与理论分析结合的方法,通过调整拦阻钩侧向动载荷的振动频率范围,具体研究了飞机机身动载荷特性。结果表明,在2 Hz, 10 Hz,20 Hz等振动频率附近,机身会受到严重的载荷情况。结论可供机体结构刚度、钩头减摆等性能优化设计参考。     

瞬态载荷下L4/L5椎间盘内流固耦合效应

中医正脊治疗通过对腰椎施加瞬态拉伸和旋转来治疗腰椎间盘退变, 本文采用考虑流固耦合效应的数值模拟研究其生物力学机制. 通过实验测量和文献调研, 确定了合理的拉伸和旋转的载荷参数; 发展了使用人体断层扫描图像结合解剖学数据建立详细腰椎几何模型的方法; 将松质骨、终板、椎间盘考虑为多孔弹性介质, 其他组织考虑为线性弹性介质, 进而建立了考虑生物组织中流固耦合效应的物理模型; 通过数值模拟得到了不同瞬态载荷及其组合作用下椎间盘内应力?应变与流体流动的变化规律. 研究发现, 瞬态载荷通过改变L4/L5椎间盘基质应力和髓核内外压力梯度, 在髓核中产生流体流动; 拉伸加载引起流体先流出髓核、再流入髓核, 产生含水量变化; 顺时针旋转加载在髓核左右产生相反的流动, 髓核右侧的含水量变化较左侧大. 本研究所采用的方法为流动过程相关的人体椎间盘退变病理生理机制研究提供了新的方法, 为中医正脊研究提供科学化思路, 也为相关的力学-生物学耦合研究和髓核再生的基础研究提供了一个切入点.      

循环载荷作用下级配碎石力学特性试验研究

级配碎石广泛应用于铁路和公路路基,本文以提高路基服役性能、完善路基结构优化设计为研究目的,通过循环载荷作用试验,分析了不同频率以及不同幅值下级配碎石变形、破碎规律,建立了频率、幅值与级配碎石累积变形、回弹模量等力学参数间的关系。结果表明,载荷频率是影响级配碎石变形特性的主要因素;低频作用下,级配碎石破碎度随着载荷频率的增加而降低,这主要与载荷作用时间有关,而随着载荷幅值的增加,级配碎石破碎度呈增长的趋势。此外,不论在载荷频率还是幅值影响下,级配碎石回弹模量与累积变形间总呈正相关关系,然而,当以载荷频率为试验影响因素时,级配碎石累积变形、回弹模量均随破碎度的增加而减小,与载荷幅值为影响因素下的变化规律恰恰相反,这主要与载荷作用形式以及颗粒破碎形式有关。     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.     

轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究

舰载直升机易受外部机动载荷波动的影响导致水平传动轴和尾斜轴相连接的轴角发生偏差,引起尾传动系统振动超标,严重时会造成尾传动轴断裂甚至坠机等灾难性事故。论文首先推导含轴角参数的尾传动系统振动方程,得到了轴角偏差与啮合刚度的关系,探究了偏差值与尾斜轴振动幅值的内在关联,以某型直升机尾斜传动系统为研究对象,建立尾传动系统动力学模型,揭示了轴角参数对尾斜轴振动特性的影响规律：不同设计角度的尾传动系统在轴角发生偏差时振动响应趋势基本一致,尾斜轴振动幅值会随设计角度的增加而增加;轴角在0°～2°范围内发生偏差时,尾斜轴的振动幅值会呈现先增加后减小的趋势,偏差在1.5°左右时尾斜轴振幅达到最大值。当轴角偏差相同时,尾斜轴上中间减速器处的振动幅值为尾减速器处的3.6倍。研究结果可为直升机尾传动系统动力学设计与振动故障分析提供参考。     

分裂导线自阻尼振动特性研究

为了掌握线路的振动状态,确定线路抗振能力,保证线路安全,需要明确架空输电导线的风致振动响应．本文针对江苏境内某特高压工程LGJ-630/45型导线,建立其振动控制能量平衡方程,编制了Fortran程序以高效准确地求解该超越方程,计算分析了单导线及四种分裂导线微风振动状态下的振动及耗能特性．结果表明,单导线在风振平衡点处的双振幅最大值在最低频率上,约为导线直径的两倍;四种分裂导线风振平衡点处的幅值在15Hz附近达到最大值;导线单位长度功耗在60Hz附近达到最高,功耗能力在较低频域(10Hz~20Hz)上较弱,在较高频域(30Hz~80Hz)较强;导线分裂数越大,分裂导线的振幅越小,八分裂导线的防振消振效果相对最好;四种分裂导线在在10Hz~20Hz频域振动幅值大而单位功耗水平低,因此10Hz~20Hz频段是分裂导线的危险频段,防振措施应该针对这一频段设置．研究方法与成果为LGJ-630/45导线的抗振设计提供了科学依据．     

非稳态弹流润滑状态下滚动体-滚道摩擦副的动力特性研究

针对滚动体-滚道摩擦副,建立了点接触非稳态弹流润滑数学模型,利用FFT技术和半解析算法数值求解了接触体在自由振动过程中油膜压力和膜厚的变化,同时结合有阻尼系统的自由振动模型,给出了预测点接触摩擦副动力特性的方法,在较宽的载荷和速度范围内分析了接触副的等效刚度系数和阻尼系数的变化.结果表明：根据接触副的实际工作载荷和速度所确定的无量纲自然频率来进行非稳态弹流的计算所得到的膜厚结果更接近实验值;在接触体的振动过程中油膜的压力和厚度在平衡位置附近上下波动,且由于润滑油膜的作用接触体的振动幅值逐渐减小;刚度系数随载荷参数的增加而增加,随速度参数的增加而减小,而阻尼系数的变化规律较复杂,在不同的载荷和速度范围内呈现出不同的变化趋势.     

Biomechanical analysis of lumbar interbody fusion with an anisotropic hyperelastic model for annulus fibrosis

Based on computed tomography scanning images, this paper developed a detailed finite element model for the human L2–L4 lumbar spine segment with or without L3–L4 fusion. The model included vertebrae, intervertebral disc, facet articulating surfaces and various ligaments. A previously developed hyperelastic fibre-reinforced constitutive model was used to characterize the material property of annulus fibrosus. Numerical results of L3–L4 motion unit such as load–displacement curves and nucleus pressure were compared with experimental data to validate the FE model. The normal and fused lumbar spine segments under various loading conditions, such as flexion, extension and axial rotation, were analysed. The motion range and stress distribution of the L2–L4 models under different loading conditions were then obtained to investigate the effect of lumbar fusion operation. It was shown that under the same loading condition, the fused model had a much smaller body motion range. Interbody fusion brought out obviously different stress distribution in adjacent intervertebral disc annulus fibrosus. And it also increased the intradiscal pressure of adjacent intervertebral disc significantly.     

腰椎力学分析的数值模拟与实验研究

采用数值模拟和实验测试技术对两种不同内固定法的腰椎模型进行应力和变形分析,基于CT图像建立L4-S1的三维数值模型,经ANSYS计算分析得出五种工况下的终板应力值;在实验中采用了一种薄膜压力测试传感器结合图像处理的方法,提高测试椎间盘压力分布的精度;同时采用数字图像相关技术对腰椎骨上下关节突在承载情况下的空间位移进行了测量,获得了腰椎间盘（L3-L4）在承受轴压、前屈后伸和侧弯情况下的压力分布,以及对应的关节突的位移迹线。结果表明：本研究采用的数值分析技术和实验开发的测试技术可操作性强,精度满足要求,有望在类似的生物力学分析中得到应用。     

基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因,考虑轮对的旋转惯量,建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型. 基于轮轨系统摩擦自激振动的理论,采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性. 研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响,并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性. 数值模拟结果表明:在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下,轮轨系统的摩擦自激振动导致高速列车车轮多边形磨耗的产生,其导致的21~22阶和23~24阶车轮多边形磨耗占主导地位,这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为符合. 饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗,盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗. 制动压力为13 kN时,车轮多边形磨耗形成的几率最小,发展速度最慢. 过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗. 垂向悬挂力为75 kN时,车轮多边形磨耗形成的可能性最小,发展速度最慢.      

Vibration of an atomising disc subjected to a growing distributed mass

Centrifugal atomisation using a spinning disc is an effective means of producing high quality metal powder. The atomising disc frequently experiences severe vibration and produces noise. The vibration adversely affects the production of metal powder. This paper presents the first study of the dynamics of atomising discs. The disc is modelled as a plate under the excitation of a growing mass, which represents the metal stream flowing down to and spreading out on the disc. The influence of the rotating speed of the disc and the growing mass on the dynamics of the disc is investigated. It is found that the disc vibration is non-stationary with multiple frequencies that vary with time and its magnitude increases with mass flow rate of the model metal and decreases with the disc speed. One interesting finding is that the disc vibration grows like flutter in the period before the metal flow on the disc becomes steady, due to the radially growing mass.     

A non-linear finite element model of human L4-L5 lumbar spinal segment with three-dimensional solid element ligaments

This paper establishes a non-linear finite element model (NFEM) of L4-L5 lumbar spinal segment with accurate three-dimensional solid ligaments and intervertebral disc. For the purpose, the intervertebral disc and surrounding ligaments are modeled with four-nodal three-dimensional tetrahedral elements with hyper-elastic material properties. Pure moment of 10 N·m without preload is applied to the upper vertebral body under the loading conditions of lateral bending, backward extension, torsion, and forward flexion, respectively. The simulate relationship curves between generalized forces and generalized displacement of the NFEM are compared with the in vitro experimental result curves to verify NFEM. The verified results show that: (1) The range of simulated motion is a good agreement with the in vitro experimental data; (2) The NFEM can more effectively reflect the actual mechanical properties than the FE model using cable and spring elements ligaments; (3) The NFEM can be used as the basis for further research on lumbar degenerative diseases.     

Grip pressure distribution under static and dynamic loading

The dynamic response of a vibrating handarm system is strongly related to the grip force. While the relationship between total grip force and vibration characteristics of the hand-arm system has been extensively studied, no attempts have been made to investigate the distribution of grip pressure at the hand-handle interface. The local grip-pressure distribution may be more closely related to the finger blood flow, fatigue and loss of productivity than total grip force. In the present study, distribution of static and dynamic forces at a hand-handle interface is investigated using a grid of pressure sensors mounted on the handle. The pressure distribution is acquired for different values of static and dynamic grip forces in the range of 25–150 N. The dynamic measurements were conducted at various discrete frequencies in the 20–1000 Hz range with peak acceleration levels of 0.5 g, 1.0 g, 2.0 g and 3.0 g. The grip-pressure distribution under static loads revealed a concentration of high pressures near the tips of the index and middle fingers, and the base of the thumb. This concentration of high pressures shifted towards the middle of the fingers under dynamic loads, irrespective of grip force, excitation frequency and acceleration levels. These local pressure peaks may be related to impairment of blood flow to finger tips and the possible causation of vibration white finger. Paper was presented at the 1992 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in Las Vegas, NV on June 8–11.