镁合金钢板内固定治疗胫骨中段骨折的有限元分析

运用有限元分析法, 评价镁合金、钛合金、不锈钢3种不同材料在治疗胫骨干骨折的力学性能差异. 以Dicom格式导入Mimics 20.0软件中建立胫骨三维模型, 并运用Geomagic与Solidwork软件制作胫骨骨折内固定模型, 将上述模型导入Workbench 2020软件中, 赋予材料属性, 给予轴向载荷、扭转载荷2种加载模式, 分析3种材料的应力和位移. 在600N轴向加载模式下, 钛合金内固定应力为(117.42±0.07)MPa, 位移为(0.73±0.11)mm; 镁合金内固定应力为(117.11±0.04)MPa, 位移为(0.82±0.08)mm; 不锈钢内固定应力为(117.53±0.03)MPa, 位移为(0.62±0.13)mm. 在30N?mm扭转加载模式下, 钛合金内固定应力为(174.50±0.33)MPa, 位移为(0.75±0.07)mm; 镁合金内固定应力为(168.75±0.15)MPa, 位移为(0.82±0.16)mm; 不锈钢内固定应力为(176.23±0.51)MPa, 位移为(0.61±0.13)mm. 结果表明: 2种不同加载模式下3种不同材料的内固定结果数值差异不大, 镁合金内固定与钛合金内固定、不锈钢内固定力学性能相似, 而镁合金更亲和人体, 可以代替传统医用金属材料用以治疗胫骨中段骨折.     

髋臼四方区解剖型自锁定钢板的数字技术设计

为探讨使用数字技术设计新型髋臼四方区自锁定解剖型钢板, 采集宁波市第六医院影像科2020年1月至2020年12月, 25~50岁正常男女骨盆CT数据, 选择中位数的骨盆CT作为模型. 将CT数据依次导入Mimics 21.0软件和Unigraphics NX软件, 生成三维骨盆模型. 用CAD软件画出钢板螺钉dwg格式二维图像后导入Unigraphics NX软件, 建立stl格式钢板螺钉三维模型, 设计钢板厚2.0~3.0mm, 实心皮质骨螺钉Ф3.5/5.5mm. 在三维空间视图中, 将钢板螺钉装配到骨盆模型, 重点观察三维透视图、钉道纵轴切面图、螺钉与钢板的锁定角度, 校对功能固定区、定位孔、阻挡孔、固定孔、应力桥、滑动槽等指标, 优化钢板形态和螺钉钉道, 一块钢板同时固定髋臼四方区、臼顶负重区、前后柱、前后壁. stl格式数据输出至打印机, 3D打印钢板, 装配到骨盆模型, 校对钢板与骨盆的匹配度, 确定最优化的图像数据. 根据患者骨盆CT导出的数据, 用Unigraphics NX软件建立三维骨盆模型, 可灵活设计钢板螺钉, 精度达到0.2mm, 即刻修改钢板螺钉形态数据, 虚拟内固定. 数字技术设计不再需要手工标本测量和CT图像测量, 可提高新型内固定装置的设计效率, 为个性化骨科内植物设计、精准固定手术提供了新路径.     

新型稀土镁合金螺钉体内促骨修复及体外生物相容性研究

为测试新型稀土镁合金的生物相容性及降解产物致敏性; 评价新型稀土镁合金螺钉对骨伤模型的治疗效果, 基于NZ30K镁合金添加Mn元素制成新型稀土镁合金, 并通过后期加工制成不同规格的螺钉. 将稀土镁合金螺钉浸入磷酸盐缓冲液中制作浸提液, 于大鼠后肢背部皮下注射, 观察浸提液皮下致敏性. 将螺钉打磨制成圆片植入到大鼠皮下, 观察皮下降解产气情况, 以可吸收骨蜡作为对照同位置皮下植入. 建立兔骨损伤模型, 将稀土镁合金植入, 定期拍摄X光检查螺钉降解情况, 按照时间顺序分别于8周、12周、16周处死实验兔制作肝肾切片、骨切片, 评价肝肾毒性及体内降解情况; 同期以ZA75镁合金为基础添加0.3% Mn元素制成新镁合金, 作为对照组对比稀土镁合金对大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化效果. 将浸提液过滤稀释后添加至细胞培养板中, 加入成骨诱导液培养, Westernblot蛋白电泳实验测定骨保护蛋白(OPG)表达情况. 新型稀土镁合金浸提液未表现出致敏性, 皮下降解结果显示植入初中期有气腔产生, 中后期气腔消失, 镁合金完全降解; 组织切片显示, 兔股骨螺钉植入在前中期有一定肝肾毒性, 植入中期促骨生长效果相较于前期更为明显, 植入后期未见明显肝肾毒性, 螺钉降解完全, 植入部位骨质增强; 兔股骨植入降解结果显示植入前期未观察到明显的促进骨生长效果, 螺钉与骨质嵌合紧密, 植入中期促骨生长修复效果呈现, 局部骨组织出现膨隆包裹住螺钉降解产物, 植入后期螺钉完全降解, 植入位置有一小孔未闭合, 股骨近端明显膨隆; 蛋白电泳实验显示, 新型稀土镁合金浸提液可增加OPG表达, 具有良好的生物相容性. 基于NZ30K开发的新型稀土镁合金在动物实验及细胞实验阶段表现出良好的生物相容性, 可为临床应用提供一定参考.     

基于ANSYS-Workbench的U型挂环静动态特性分析

为解决特高压输电线电力金具U型挂环易破坏的问题.利用有限元软件,根据实际线路设计参数,建立U型环的有限元模型,对结构进行静动态分析.计算结果表明:在静态分析中,U型挂环的最大应力位置为中心接触部位,其最大等效应力为1 482 MPa,上下U型挂环之间出现滑移,滑移距离为0.8 um;动态分析中,U型挂环在第六阶变形最为严重,并且在水平载荷和垂直载荷的共同作用下,位移振幅最大处的频率为2 700 Hz,振幅值为1.304 6×10~(-4) mm,应力值为33.481 MPa,此时频率接近于结构固有频率,结构易发生共振现象.研究结果为进一步研究输电线路电力金具的动力学分析提供理论参考.     

快速高仿真人骨有限元几何建模—–基于Mimics、Geomagic及Ansys软件的应用

综合运用Mimics、Geomagic及Ansys软件, 探讨快速、高度仿真、具有通用性意义的不同类型人骨的有限元建模方法. 采集长骨(股骨)30例、不规则骨(胸椎)10例及扁骨(骨盆)10例的薄层CT扫描数据, 在Mimics中进行图像编辑及三维重建. 实验分设3组, 分别为传统方法组、改良方法组及快速建模组. 快速建模组由Geomagic进行模型网格简化, 在Mimics中进行体积恢复, 运用Ansys命令流进行快速网格划分, 在Mimics中赋予材料属性后进行最简单的有限元分析. 比较3组的建模时间、仿真程度, 并进行统计分析. 结果发现: (1)快速建模组具有建模时间少、仿真程度高及网格质量高等显著优势; 统计分析表明, 快速建模组与其他2组具有显著性差异. (2)在Geomagic中进行模型简化的主要参数“Target Edge Length”为2.0mm(规则骨), 1.5~ 1.8mm(不规则骨); 模型体积/简化网格数为1.50±0.92(股骨)、2.86±0.84(骨盆)、0.36±0.05(胸椎). (3)可以通过Geomagic处理后模型体积/原模型体积的立方根或者二者的回归函数来进行体积恢复. 研究结果表明, 基于逆向工程软件Geomagic的人骨有限元建模方法具有快速、高仿真、高成功率及通用性等优势, 推广价值较高.     

轴承游隙与残余应力对轴承疲劳寿命的影响

滚动轴承的径向游隙与残余应力对轴承寿命有着很大的影响,为深入理解游隙与残余应力的影响规律,研究6308深沟球轴承在不同游隙和残余应力下的疲劳寿命.通过使用三维建模软件SolidWorks建立深沟球轴承的三维模型,采用ABAQUS有限元分析软件仿真得到深沟球轴承的接触应力分布.基于接触区的最大应力,对深沟球轴承的接触疲劳寿命进行预测.结果表明:当残余应力一定时,轴承游隙从4μm增加到16μm,轴承内外圈滚道与滚动体的接触面积降低,使轴承寿命平均缩短了24.80%;当轴承游隙一定时,残余压应力从0增加到500 MPa,可部分抵消径向载荷所产生的不利影响,平均应力减小,轴承寿命平均增加了35.30%.该模拟结果为轴承寿命的研究提供了一定的理论支撑和依据.     

FeCuNbSiB非晶粉体/IIR复合薄膜的拉伸及压缩应力阻抗效应

以FeCuNbSiB非晶粉体/IIR复合薄膜材料为研究对象,分别研究了该材料在固定测试频率为1KHz下的拉伸和压缩应力阻抗效应。其中压缩速度为0.01mm/s,压缩最大应力为1MPa;拉伸速度为0.05mm/s,拉伸最大应力为2.4MPa。同时,将2种测试过程在每隔50s时间,计算一个等效的拟合点,并将这些等效拟合点进行曲线拟合,获得相应的拟合曲线。接着我们又对拉伸应力阻抗及压缩应力阻抗等效拟合曲线经行求导处理,得出相应的能够表征应力阻抗的敏感性的函数Z’(σ)。试验结果表明:拉伸过程阻抗随着应力增大而降低,压缩过程阻抗随着应力增大而增大。由于该复合薄膜的基体是丁基橡胶,适合于微小应力敏感的测试。而压缩应力阻抗方面,其耐压强度相对耐拉强度大很多,论文中只讨论了压应力范围为0~1MPa的压应力阻抗效应。在微应力条件下,压应力阻抗敏感性能不及拉伸应力阻抗。而在大应力下其应力敏感特性较好。     

3D打印结合内固定模型库辅助复杂胫骨平台骨折精确化内固定手术

本研究旨在通过应用3D打印导航模板辅助复杂胫骨平台骨折内固定植入手术, 提高内固定手术的精确性. 采用5例正常膝关节尸体标本进行Schatzker V型骨折造模, 骨折模型进行CT扫描三维重建, 结合钢板模型库进行虚拟个性化内固定手术. 根据虚拟的优化内固定手术方案设计并3D打印个性化导航模板, 引导现实的骨折标本内固定手术. 通过虚拟术前规划(术前)和标本实验(术后)的螺钉长度、进钉点位置以及方向的对比分析来评估内固定效果, 结果提示本实验获得了优化、精确的内固定效果. 螺钉长度差异为(0.89±2.94)mm, p>0.05; x, y和z轴进钉点差异分别为(1.19±1.31), (1.73±1.31)和(1.22±0.88)mm, p>0.05; 冠状面(x-y)和横断面(x-z)的投影角差异分别为(2.99±2.98)°和(1.57±5.13)°, p>0.05. 以螺钉长度、进钉点位置和钉道投影角进行评估术前和术后的钉道差异, 结果提示二者无明显差异. 在钢板模型库和个性化导航模板的辅助下可以获得理想和精确的内固定植入方案, 提高个性化内固定手术的精确性和有效性     

Z型Q345冷弯钢构件率相关本构模型下的动态冲击失稳研究

以Z型Q345薄壁冷弯钢构件为研究对象, 首先测试了试验钢在10-4~102s-1应变率内的材料力学属性, 并拟合得到了由Johnson-Cook本构模型表述的材料本构参数, 同时对拉伸断裂的试件断口做了微观形貌分析. 接着, 在落锤装置上对Z型冷弯钢构件做不同速度的轴向冲击试验, 研究构件受到冲击的动态失稳变形情况. 然后, 通过ABAQUS软件建立了可以反映锤头冲击构件过程的仿真模型, 考虑应变率效应和初始缺陷等因素, 分析了构件主要部位端部质点的位移和速度变化情况以及应力波传播效应的影响. 结果表明 薄壁冷弯钢构件受到外部冲击作用会产生动态屈曲, 随着冲击载荷增大, 发展为明显的塑性变形. 应力波的传播效应对动态屈曲模态的阶跃起着关键的作用.     

三维鱼体参数化建模

因水下环境复杂,鱼类三维模型获取非常困难,基于三维鱼类数据驱动的很多自动化研究工作无法开展。为此,提出一种三维鱼体参数化建模方法。首先,用专业建模师构建的标准鱼体模板注册扫描仪采集三维鱼体数据,构建拓扑结构一致的三维鱼体网格数据集;其次,用主成分分析法对数据集中的三维鱼体网格模型进行建模分析,建立鱼体的参数化表示模型;最后,采集草鱼数据进行相关实验。实验结果表明,注册得到的三维鱼体模型与真实扫描鱼体模型顶点之间的平均均方根误差仅为0.691 3 mm,在可接受范围。通过改变三维鱼体参数化表示模型中的权参数,快速生成了大量三维鱼体数据,从而解决了三维鱼体数据获取困难的问题。     

热挤压铸造新型镁合金微观组织及细胞生物活性分析

采用热挤压铸造工艺制造新型镁合金, Mg-Nd-Zn-Zr-Mn (平衡-3-0.2-0.4-0.2%)基, 研究了新型镁合金表面特征、力学性能及细胞生物活性. 选择NZ30K添加Mn元素制成新镁合金, 挤压前通过均匀化热处理, 减少挤压过程中铸态合金中的粗大析出相以及树枝晶形成的带状组织. 光谱测试分析合金成分; 显微观察合金铸态、横纵截面; 扫描电镜扫描; X射线衍射分析. 将合金制成金属棒、螺钉、接骨板等形状, 测试力学性能. 进行体外细胞培养, 利用DMEM完全培养基制作镁合金浸提液, 滤膜过滤后4℃保存; 大鼠骨髓间充质干细胞提取培养, 待细胞生长至70%~80%传代于24孔板种板, 添加浸提液培养12、24、36h, 利用线粒体膜电位检测试剂盒检测细胞凋亡活性. 以纯镁作为对照组, 进行力学性能测试及细胞活性凋亡测试. 热挤压后合金的组织由细小的再结晶晶粒与变形晶粒组成, 与铸态合金相比, 其组织明显细化. 经挤压加工后, Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn合金横截面为细小的等轴晶组织, 组织均匀性好; 纵截面出现了晶粒尺寸相对较大的长条状组织, 组织均匀性稍差. 扫描电镜图显示Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn合金中第二相颗粒沿挤压方向被碾碎成更细小的颗粒, 只有非常少量的弥散分布的颗粒状析出相, 而在该合金中有较多被碾碎的第二相, 发生了明显的动态再结晶, 挤压后获得的组织不均匀, 大晶粒被发生再结晶的小晶粒包围. 从X射线衍射图中可以看出该合金铸态组织主要由α-Mg、Mn、Mg12Nd和Y相等这几相组成. 力学性能测试表明, 新型镁合金综合力学性能明显优于纯镁金属. 短期细胞培养中, 新型镁合金无明显细胞毒性, 对细胞生长有积极促进作用. 新型镁合金热挤压后的横截面为细小等轴晶组织, 组织明显细化且均匀性好, 力学性能有极大提升; 在短期细胞培养过程中新型镁合金与纯镁都表现出无细胞毒性, 新型镁合金对细胞活性的提升优于纯镁组.     

生物可降解镁合金骨科植入材料的临床应用及其有限元分析

在骨-器械界面建立和维持成熟骨是骨科植入材料长期成功的关键. 镁合金由于其生物可降解性、天然骨组织的力学相似性以及成骨潜力, 并且在体内不抑制间充质干细胞(hBMSCs)的成骨特性, 成为有前途的承重骨科植入物的候选材料. 但其高降解率和植入物相关感染的风险以及不佳的力学性能, 对其临床应用提出了巨大的挑战. 有限元分析方法能对复杂结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析, 可有效地帮助临床医生了解镁合金植入器械的应力及生物力学性能.     

新型镁合金螺钉体外腐蚀降解及细胞活性研究

研究了基于NZ30K合金开发的新型Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn镁合金耐腐蚀性、体外降解行为特性及浸提液细胞生物毒性. 采用金相显微镜得到新型镁合金金相显微图, 采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)获取SEM图; 采用武汉科思特电化学工作站进行电化学测试, 并绘制动电位极化曲线, 以磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffer Solution, PBS)模拟体液环境, 记录氢气析出体积并计算腐蚀速率; 利用细胞完全培养基测定pH值、重量变化曲线; 获取大鼠骨髓间充质干细胞(Bone Mesenchymal Stem Cells, BMSCs), 并利用完全细胞培养基制作新型镁合金浸提液, 检测细胞生物活性, 以ZA75镁合金为基础添加0.3%Mn元素制成合金作为对照组, 比较腐蚀电位、体外降解情况以及细胞活性. 结果表明: 新型Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn镁合金横截面等轴晶体组织细小均匀性较好, 纵截面呈长条状组织均匀性稍差; 自腐蚀电位较高, 为-1.3912V; 自腐蚀电流密度较低, 为7.37×10-7 A?cm-2; 体外析氢量低, 失重量、pH值变化幅度相对较小; 降解速率下降后呈现小范围上升后趋于平缓; 具有良好的细胞相容性, 可以促进BMSCs细胞增殖分化.     

RV减速器行星轮系齿形修形传动啮合性能分析

为准确掌握齿形修形对RV-150BX减速器行星轮系动态啮合性能及传动性能的影响, 建立了行星轮系装配模型, 通过有限元法分析了输入轴齿轮和行星轮在动态啮合中的传动规律, 在啮合临界时刻最大和最小等效应力分别为14.47MPa和8.55MPa. 经综合考虑, 选取输入轴齿轮和行星轮齿顶修形量优化设计参数; 通过动态啮合仿真, 分析同等载荷下齿形修形后的传动性能. 结果表明, 在轮齿单、双齿交替啮合时刻, 齿轮的速度、加速度波动最大并伴随冲击振动. 经比较发现, 齿形修形后速度、加速度波动明显改善, 传动性能显著提高.     

改性硫氧镁胶凝材料的配制及性能研究

为确定工业级轻烧氧化镁粉与七水硫酸镁溶液配制改性硫氧镁胶凝材料的最优参数,分别研究了不同氧化镁/七水硫酸镁摩尔比,硫酸镁溶液浓度及水稳剂水玻璃对硫氧镁胶凝材料工作和力学性能的影响.结果表明:随着氧化镁/硫酸镁摩尔比的提高,硫氧镁水泥的初凝时间逐渐缩短,流动性逐渐降低,抗压和抗折强度逐渐提高;随着七水硫酸镁浓度的提高,硫氧镁水泥的抗压抗折强度也呈现增长趋势,MgO:MgSO4·7H2O:H2O摩尔比为14:1:12时,硫氧镁胶凝材浆体的28d抗压和抗折强度分别达到38.3MPa和7.0MPa.耐水性研究表明,加入氧化镁质量2%的水玻璃可以很好地改善硫氧镁水泥的耐水性.     

材料微损伤在高速变形过程中的演化及其对率型本构关系的影响

材料在高速变形过程中常常伴有不同形式的内部缺陷或微损伤的演化。根据锆合金中孪晶演化，钛合金中绝热剪切带演化，以及铸镁合金、有机玻璃和水泥砂浆中微裂纹演化的实验观察，基于热激活机制，提出了同时依赖于应变率和应变的微损伤演化律，及相应的计及损伤弱化效应的率型本构关系。