基于多孔弹性模型的脊椎关节生物力学特性和体液流动特性研究

建立了L4/L5段人体腰椎关节的非线性多孔弹性有限元模型,并对其施加1000N振动载荷1h,考察在不同的振动频率(1Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz)下腰椎关节的变形、应力分布和体液流动情况;并对不同频率作用下脊椎组织的生物力学特性进行了对比分析。结果表明,在不同频率振动载荷下,脊椎模型的应力分配、体液流量都呈现与振动载荷不同的周期性波动变化。振动载荷频率等于腰椎关节的固有频率11.5Hz时,椎间盘应力分配和体液流量波动的幅值最短;而振动频率为4Hz、8Hz、15Hz时各项指标波动的幅值比11.5Hz时小。振动过程中,椎间盘内外压力梯度的变化引起体液的流动,振动时间越长,总流失量越大。     

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.     

整体型绝缘接头绝缘环应力分析

对绝缘接头在制造、安装、使用过程中绝缘环的应力分布及其影响因素进行了分析。分析结果表明,绝缘环的压应力与绝缘接头制造时的预压应力有关,预压应力越高,绝缘环的压应力也越高且绝缘环2的压应力高于绝缘环1的压应力。在轴向压力和弯矩的共同作用下,最大压应力发生在绝缘环1的弯矩压缩区,该区域绝缘环边缘有可能在轴向压力和弯矩共同作用下首先被压碎。在轴向拉力和弯矩的共同作用下,最大压应力发生在绝缘环2的弯矩压缩区,该区域绝缘环边缘有可能在轴向压力和弯矩共同作用下首先被压碎。绝缘接头在安装和使用运行中的最大压应力,不仅与制造时的预紧应力和管道轴向应力有关,还与绝缘接头的几何参数密切相关。在相同的管道轴向应力下,大口径管道中绝缘环的最大压应力比小口径中绝缘环的最大压应力大得多。     

初始应力对碳纳米管横波传播的影响

本文研究初始应力对碳纳米管在极高频率（大于1THz）下横波传播的影响。计算结果表明：轴向初始应力的存在除了改变碳纳米管的横向波速和管间振幅比的大小（压应力时横向波速降低，管间振幅比增加，拉应力时结论相反）外，还会影响其横向波速的数目。双层碳纳米管受轴向初始压应力时，在某个频率区域存在最多三个横向波速，与受轴向初始拉应力和未受轴向应力时最多只存在两个横向波速有所不同。     

循环荷载下硅藻土应变和孔压特性

针对嵊州硅藻土的高结构性及地基应力场的复杂多变，应用GDS 动三轴仪进行不同围压和不同循环应力比下的不排水循环加载试验，分析应力-应变滞回曲线演化、应变累积特性、回弹特性及孔压特性．研究表明：循环应力比及围压对原状硅藻土应变和孔压的发展规律影响明显，随着循环应力比的增加，滞回曲线由线性状态转变为非线性状态，且逐渐向x 轴倾斜，累计应变和回弹应变都随着循环应力比的增加而略微增加，但总应变基本小于2 %；残余孔压比随循环应力比增大而增大，范围为0.1~0.5．并且存在一个临界循环应力比，其值随有效围压的增大而减小，范围为0.8~2.2，当循环应力比大于该值时，试样内部产生一个破裂面迅速发生破坏．在相同循环应力比下，试样的应变随着有效围压的增大而增大．     

行车荷载作用下冲填土变形特性试验研究

本文以上海临港新城冲填土地层分布区的道路在车辆振动荷载作用下路基变形为研究对象,以一定的动应力、不同的振动频率来模拟车辆振动荷载,进行了振动三轴试验研究,试验结果表明:在固结比相同,振动幅值相同的情况下,轴向应变随着振动次数的增加呈线性增大;轴向应变随孔隙水压力的增加先缓慢增长,当孔压比达到一定值后,轴向应变会迅速增加,直到破坏;轴向应变与剪应变和径向应变呈良好的线性关系。     

拉压性能不同材料全量型本构关系及厚壁筒的应力分析

将经典全量理论作了推广，考虑了应力状态及塑性体积变形对拉压性能不同材料的塑性行为的影响。应用该本构模型分别计算了厚壁筒在内压和外压作用下的应力分布。给出了径向应力、环向应力和轴向应力沿壁厚的分布图。将本文的计算解与拉压性能相同(不考虑体积变形、强化曲线唯一)的幂函数强化材料的厚壁筒的理论解进行了比较。结果表明，材料的拉压性能不同对厚壁筒的环向应力和轴向应力影响较大。因此，对于拉压性能不同材料，考虑到其对应力状态及塑性体积变形敏感时，是不能将其简化成拉压性能相同、体积不可压缩、强化曲线唯一的理想材料。     

频率对方腔内周期性混合行为的影响

基于涡量-速度法,得到了方腔内高粘度流体上下盖振动拖动作用下瞬时速度场数值解,采用4阶Runge-Kutta方法对示踪剂的界面形变进行数值积分追踪。结果表明,当振动频率为0.1 Hz,方腔内将发生混沌混合,当频率增加到0.5 Hz时,混合过程演变为常规的层流混合过程。混合过程Poincaré截面对比揭示了频率对KAM岛尺度影响。混沌混合经过一定的时间后,不同初始位置的示踪剂界面拉伸表现出自相似和渐近特性。     

边坡下伏地下圆形洞室的弹性应力解析

根据洞室与边坡的相对位置,将其分为深埋地下洞室与浅埋地下洞室,并分别建立了计算模型。将浅埋圆形洞室视为分布荷载作用下半无限体表面附近的孔洞的应力分析问题,采取复变函数的保角映射得到了浅埋洞室的应力解析解。将深埋洞室视为一个双向受压无限板孔应力集中问题,得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解。以某填筑边坡下地下圆形洞室为例,计算得到了浅埋圆形洞室周边的径向应力与环向应力分布,计算结果表明洞室圆心水平线上的环向压应力随着与洞周距离的增加逐渐减小,但径向压应力却是首先增加,然后才逐步减小。洞顶圆周出现环向拉应力,随着越来越接近地表,环向应力逐步转变为压应力并且越来越大,而径向应力逐渐变大。洞周环向拉应力在洞顶与洞底数值最大,洞室左右两端洞周环向压应力数值最大;洞周径向应力在洞顶、洞底数值较小,左右两端洞周应力最大。     

密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下获得了气膜动态特性系数;基于动力学相关知识,在考虑转轴轴向振动的情况下,利用气膜轴向动态刚度和阻尼系数分别求解了静环挠性安装、动环挠性安装和两环均挠性安装的干气密封挠性环运动方程.在不同轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼下分别研究了三种典型结构干气密封动态追随性并进行了对比分析.结果表明:当轴向激励频率较高或挠性环质量较大时,静环挠性安装干气密封在刚受到外界激励时膜厚突变相对严重,动态追随性较差;在轴向激励频率较低且挠性环质量较小时,静环挠性安装干气密封相比动环挠性安装干气密封表现出更好的动态追随性;在三种密封环挠性安装形式中,两环均挠性安装干气密封动态追随性最好,且具有绝对优势.     

多源激励下水中有限长加肋圆柱壳体声振特性研究

为了研究多源激励下水中有限长加肋圆柱壳体的声振特性，由Flügge壳体振动理论建立了单频多源激励下水中长度为2L 的有限长加环肋和纵肋壳体的声振耦合方程。将壳体结构位移、表面声压以及激励力展开为各阶模态与波形的组合形式，将肋骨作用表示为附加阻抗与各阶模态的叠加，导出了单频多源激励下加肋壳体振动和声辐射的解析表达式，并通过算例研究了肋骨、激励源相对位置对壳体声振特性的影响。计算结果表明：肋骨改变了壳体的共振特性，使共振频率处壳体的表面平均振速级降低，导致共振频率附近的辐射效率级增加3~5dB；将集中力转化为轴向分布的激振力可降低壳体的中高频处辐射声功率级，在频率f＞500Hz频段，轴向距离为L/4时的幅值比单点激励低3~5dB；将集中力转化为周向分布的激振力可降低壳体的低中频处辐射声功率级，在f＜150Hz频段，周向相距为π/2和π/3时的辐值比单点激励低7~9dB。本文研究结果可为水下结构的振动与噪声控制提供理论依据。     

变围压条件下粉质黏土动孔压特性试验研究

为研究变围压条件下粉质黏土的孔压发展规律及强度特性,利用GDS振动三轴试验系统开展了不排水和部分排水时粉质黏土变围压循环三轴试验,研究了变围压应力路径对粉质黏土动孔压变化的影响规律。结果表明:变围压条件下,粉质黏土孔压主要由弹性孔压和残余孔压两部分组成。不排水条件时,粉质黏土最大孔压比随应力路径斜率和循环动应力比增加而增大,最小孔压受循环围压影响较小;部分排水试验时,最大孔压比曲线(r_u~(max)~N)和最小孔压比曲线(r_u~(min)~N)表现为先升后降;当振动次数N2500次后,孔压变化逐渐趋于平稳。最大(小)孔压比均随着循环动应力比的增大而增大,但循环围压幅值对孔压比的影响却不同。最大孔压比r_u~(max)的稳定值随着循环围压幅值的增大而增大,最小孔压比r_u~(min)的稳定值随着循环围压幅值的增大而减小。上述研究成果可为交通循环荷载作用下粉质黏土的强度特性理论研究提供科学依据,为地基灾变控制研究提供技术支撑。     

成桩后黏性土中超孔压和有效应力试验研究

针对预制桩沉桩挤土效应问题，采用现场原位试验和数值模拟方法，分析了桩土界面超孔压和竖向有效应力随时间的变化规律，并应用水力压裂理论、孔穴扩张理论和修正剑桥(modified Cam-clay, MCC)模型，揭示了成桩后桩周土体固结过程的超孔压沿桩长的分布形式。结果表明：桩周超孔压大小同孔压与传感器入土深度成正比；在外载荷作用下，黏性土中超孔压和竖向有效应力分别随时间呈“增–减–平”和“平–增–平”的三段式变化趋势；成桩后约25天，超孔压基本消散完毕，竖向有效应力趋于稳定最大值；基于修正理论公式的数值模型得出，不同载荷下，桩侧中下部出现负超孔压，距桩的水平距离和距桩端竖向距离越小，超孔压越大。可为同类静压沉桩挤土效应问题提供参考依据。     

中、低放核废料贮存容器失效的概率评判

为了评判混杂纤维混凝土核废料贮存容器的耐久性,依据试验优选掺加聚丙烯纤维(用量为0.9kg/m3)、长度为20mm的玄武岩纤维(用量为2.5 kg/m3)的混杂纤维混凝土(抗压强度为67.8MPa,抗拉强度为6.32MPa)作为贮存容器材料.采用ANSYS分析贮存容器在300年服役期内时变衰变热-力耦合作用下,沿容器壁厚方向的应力分布规律,模拟结果表明:径向应力较小,轴向应力均为压应力,环向最大拉应力为抗拉强度的57%.运用蒙特卡洛分析法求得核废料衰变热引起的温差在容器内产生的拉应力频率均值和标准差,考虑贮存容器抗力随时间的折减,得到容器300年服役期内的失效概率曲线,结果表明:曲线呈上升趋势,150年内增加幅度平缓,150年至300年内增长速度加快,300年时失效概率达到0.176.本文研究为评判中、低放核废料贮存容器的耐久性提供了定量依据.     

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

套管外压挤毁强度分析与计算

在对大量的套管全尺寸挤毁试验结果分析的基础上，提出套管外压失稳机理：实际工程中的套管截面不是理想圆，在外压作用下的非圆套管圆周方向上环向应力分布不均匀，有附加弯矩效应；随外压增加，在最大压缩环向应力处达到屈服；当屈服逸到一定程度时，材料由于强度承载力不足而失效，导致套管发生失稳挤毁。基于上述套管强度挤毁准则，分析了理想弹塑性套管在轴向载荷作用下的抗挤强度计算方法，得到较保守的套管挤毁压力计算公式。与试验结果对比表明：导出的计算公式偏差较小，计算精度满足工程要求，失稳强度准则是适用的。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

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.      

周期性拉伸不同参数对肺腺癌细胞增殖的影响

通过FX-4000基底加载系统研究了在不同波形、频率、循环数及拉伸幅度下周期性拉伸应变 对人肺腺癌A549细胞株生长增殖的影响，应用Image-pro软件对A549细胞的增殖动力学变 化进行了分析. 实验表明：(1) 在laminin基底膜上，应变0\%$\sim $15{\%}, 加载时间2\,h, 方波拉伸组细胞增殖率(PR)明显降低，正弦波、心形波及三角波拉伸 组细胞PR与对照组比较无明显差异；(2) 方波作用下, 0.5\,Hz及1.0\,Hz频率组细胞增殖明显受 到抑制, 0.3\,Hz及0.7\,Hz频率组细胞PR与对照组比较无明显差异；(3) 方波作用下，幅度为 15{\%}, 20{\%}及25{\%}的拉伸组与对照组比较细胞PR均无明显差异. 研究表明：A549细 胞株对体外的生理应变作出响应时，方波作用下1.0\,Hz频率组的抑制作用最明显，且加载时 间越长抑制作用越强.     

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。