动脉粥样硬化晚期斑块局部应力的流固耦合分析及体外反搏作用干预机制的研究

生物机械力被普遍认为在动脉粥样硬化晚期斑块进程及最终破裂中起着重要的作用. 本文的目的是研究血流灌注、动脉内压、斑块组织和材料特性等因素对斑块局部流动切应力 及斑块结构应力 水平的影响,同时评价临床中的非介入辅助循环疗法 —— 体外反搏 对斑块局部应力水平的干预作用. 采用结合猪动物模型在体测量及三维流固耦合数值仿真的研究方法. 结果显示,当斑块狭窄率一定时 (50%),斑块的流动切应力水平主要由血流灌注决定;而斑块结构应力主要取决于动脉内压及纤维帽 厚度. 只有在纤维帽足够薄的情况下,斑块的材料特性才对斑块结构应力有显著影响;当纤维帽最薄同时脂质池材料最软时,临界斑块壁面应力 因子达到极值的 257.72 kPa (正常生理状态) 及 300.20 kPa (体外反博状态). 由于最大壁面应力、临界斑块壁面应力 及全局最大斑块壁面应力 三个应力因子中,只有临界斑块壁面应力 明显受纤维帽厚度和脂质池材料特性的影响,因此 其可能与斑块进程的关联最为紧密. 此外,体外反博作用明显提高了晚期斑块的应力水平,这是否会给斑块进程及重构带来慢性的影响,需要作更深入的研究.      

气流作用下气道组织变形的流固耦合研究

悬雍垂腭咽成形术(UPPP)是一种治疗阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的常规外科手术,然而由于手术作用机制仍不清楚,手术成功率较低.现有的研究大多忽略了患者上气道的具体形态以及呼吸作用下气道软组织的弹性变形,不足以有效指导手术治疗.文章基于OSA患者在术前、术后的CT扫描图像,构建了精确的三维上气道模型,通过双向流固耦合(FSI)计算,模拟研究了呼吸作用下上气道软组织的弹性变形和气道内气流流动情况.比较手术成功案例和失败案例中OSA患者上气道的流速、压力分布及气道弹性变形情况,从气道流体流动状态和气道软组织变形的角度解释了OSA的发生原因与手术作用机制.结果表明,最小横截面积尺寸并不是UPPP手术成功与否的决定性因素,成功的手术应当是减轻气道壁负压力程度、降低气道进出口之间的压降.此外,使用双向FSI方法,文章进一步构建了简化的人体二维软腭模型,探究了软腭弹性模量对吸气过程的影响,发现当软腭的弹性模量在0.5～1.5 MPa的范围内时,刚度更小的软腭会改善流场的流动情况,但也更易发生变形塌陷.文章所发展的流固模型为个性化预测手术效果提供了研究工具.     

考虑流固耦合作用的充气膜结构风压分布研究

充气膜结构是典型的风敏感型柔性结构,风荷载经常起关键的控制作用。本文利用ANSYS14.5程序中的workbench平台,考虑流固耦合作用,研究矩形平面气承式充气膜结构的风压系数分布。其中,选用基于雷诺时均模拟法的RNGk-ε湍流模型进行风场模拟,采用弱耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。分析的参数选择风向角、结构内压、矢跨比和平面长宽比。针对矢跨比分别为1/4,1/3和1/2,长宽比分别为5/3,2/1和3/1的柔性充气膜结构模型,计算不同内压及不同风向角作用下的结构响应。结果表明,考虑流固耦合作用时,充气膜结构的风压体型系数比不考虑流固耦合作用的刚性模型明显偏大,其影响因子在1.25~1.5之间;充气膜结构的风压系数分布受风向角、内压、长宽比及矢跨比的影响较大。     

夹层动脉瘤及覆膜支架模型的流固耦合分析

腹主动脉瘤腹主动脉瘤(Abdominal Aortic Aneurysm,AAA)是危及病人生命的严重疾病,若主动脉瘤不加以治疗,瘤腔将不断长大而有破裂的危险,尽管目前对主动脉瘤的研究较多,但对主动脉夹层动脉瘤(Aortic Dissecting Aneruysm,ADA)的研究较少,本文在周期性脉动速度和压力条件下,对DNA内部流场及植入覆膜支架进行了流固耦合的数值模拟.得到了夹层动脉瘤内部流场的速度矢量分布,瘤壁上的位移、应力分布.同时对夹层动脉瘤植入覆膜支架前后进行了对比分析,覆膜支架的植入使得瘤壁上的最大应力和最大位移均从瘤腔壁面转移到管状动脉壁上,且数值大大下降,说明植入覆膜支架能很好的防止夹层动脉瘤破裂.     

管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态

对管道及管路系统流固耦合振动问题在近二十年来的进展作了综述。根据问题特点，将本课题分为三个分支，即从紊流到振动噪声源的研究，流－弹耦合振动的研究和声－弹耦合振动的研究。在分别总结这三个分支的研究成果的同时指出了尚需进一步研究的某些问题。     

流固耦合的周期加强板的振动及声辐射研究

研究了流体负载下的无穷大双周期加强板, 在周期谐振力作用下的振动响应和声辐射,并提出了一种基于有限元和空间波数法的半解析半数值方法. 首先利用有限元的方法对周期结构进行单元离散, 并将结构对薄板的作用力等效为节点力的作用. 然后通过周期结构的振动方程, 结合薄板与结构的位移边界条件, 建立了节点力与薄板节点位移的函数方程. 最后应用空间波数法和傅里叶变换, 并采用数值计算的方法求解出薄板的节点位移, 得到了周期加强板关于离散节点位移的振动和辐射声压方程. 在数值算例中, 对该方法的正确性进行了验证, 并且分析了周期结构对薄板的振动和声辐射的影响.     

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.     

流固耦合振动分析的有限元与子结构—子区域方法研究

给出了几个流固耦合振动分析的变分公式。基于这些公式,导出了位移元、平衡元、混合元方程及相应的子结构—子区域模型的方程。对于非对称、非带状混合元方程,提出了四种对称化方法及相应的分析耦合问题的近似方法。     

基于流固耦合理论的长寿命陀螺仪浮子内部流场及温度场分析

为精确计算出陀螺仪内部温度场,有效改善影响陀螺仪精度的温度梯度分布状况,采用了精度更高的流固耦合计算方法,结合FLUENT软件,对卫星等上使用的某型长寿命陀螺仪浮子组件进行了内部流场及温度场计算。结果表明,浮子内部结构形式对高速旋转的电机产生的介质流场有较大影响,合理的结构设计有利于降低电机功耗;陀螺仪浮子表面存在最大温差为0.52℃的温度梯度,其所产生的液流力矩会对陀螺仪精度产生一定影响;浮子表面温度分布表现出一定的对称性和规律性。计算结果为下一步旨在减小温度梯度、提高陀螺仪精度的精密分区温控提供了数据基础。     

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能,石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下,对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误,则其层间应力过大可能导致层间失效.因此,论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型,用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外,还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

人群行走激励的数值模拟及动力耦合作用研究

大跨轻柔结构需要考虑人群行走激励下的结构振动响应以及人体的舒适度.根据单步落足曲线,结合影响人群行走效应的因素如人群分布、行走频率及个体生理特征等,采用随机方法模拟人群行走激励.对不同的人群倍增因子计算方法进行了比较并提出改进建议.将人群等效为具有主体部分和耦合均布质量的时变动力模型,建立了梁板结构与移动人体相耦合的动...     

微粒填充流变材料界面开裂的局部临界应力及尺寸效应的理论分析

研究了以等轴粒子填充流变材料的边界开裂机理,采用能量准则导出了以界面能表示的界面开裂局部临界应力的简洁表达式。由于临界应力正比于１√α,从而可以非常方便地研究粒子开裂的尺寸效应,以碳酸钙微粒填充的聚丙烯复合材料为例进行了理论分析,通过比较界面开裂的能量准则和张应力准则得出结论：即使按照保守的方法估算,即在界面强度等于基体强度的条件下,只要粒径不超过０．２微米,若能量准则得到满足,则张应力准则也会得     

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻一融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.     

转向剂形成人工应力遮挡的实验研究及有限元分析

针对水力压裂过程中采用的人工应力遮挡控制缝高技术,通过室内物理模拟实验,在转向剂浓度一定的条件下考虑携带液与地层压差、渗流量、时间等因素,采用电测法对人工岩芯表面应变进行了测试;利用非线性有限元方法对裂缝尖端应力进行计算,研究了转向剂形成人工应力遮挡的作用效果。结果表明采用转向剂可以建立3~4MPa的人工应力遮档,对采用转向剂的压裂设计和施工参数提出了建议。     

瞬态声振耦合问题的边界元分析及实验研究

本文探求任意外形结构在外力作用下的瞬态声场特性,研究声辐射机理,用时域边界元技术讨论外力、结构振动响应和声辐射三者之间的关系,并用实验结果加以验证,为瞬态声振耦合研究提供一种新的数值分析方法。     

化爆作用下钢筋混凝土板柱节点冲切破坏的试验研究及分析

在TNT集团装药爆炸作用下 ,进行了四边简支钢筋混凝土板柱节点冲切破坏的试验研究 ,在土中自由场波传播理论的基础上 ,用介质结构相互作用理论和双剪强度理论对板柱节点冲切破坏机构进行了分析 ,分析结果与试验数据符合较好。