羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖水凝胶在模拟体液中的力学性能

从仿生学角度出发,将自制的人工角膜支架材料羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖(n-HA/PVA/CS)浸泡在模拟体液中,对材料的含水率及力学性能进行了测试,并利用扫描电镜、X射线衍射仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪及热重分析仪研究了材料在模拟体液中的形貌、晶体结构、元素组成及热稳定性.结果表明,在模拟体液中,n-HA/PVA/CS复合水凝胶的含水率为80%~86%,具有较高的拉伸强度,能承受正常眼压,且热稳定性较好.在浸泡后期,n-HA/CS/PVA复合材料对Ca2+的吸附和释放达到动态平衡;而其表面含有微量的纳米羟基磷灰石沉积,有利于纤维细胞的长入.     

具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究

弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.      

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料, 在各种内外部因素的作用下, 开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式, 准确模拟结构的开裂过程, 对于结构的安全评估至关重要. 将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法. 以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点, 通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤, 将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤. 再引入能量退化函数, 将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中. 充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势, 采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡. 通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例, 验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线. 与现有的方法相比, 本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带, 结果更为合理, 且具有更高的计算精度和计算效率. 当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时, 计算结果不存在网格敏感性问题.      

一种模拟动边界绕流的锐利界面浸入边界法

When the structural wall moves over a fixed grid, the structure coverage will change, resulting in many dead and emerging elements. To avoid the influence of malformation and reconstruction of body-fitted grids on the calculation efficiency and accuracy of the fluid-structure interaction problems with coupled boundary movement on the fixed grid, an improved numerical method for describing the interaction between an immersed rigid body and fluid based on a sharp-interface is proposed. In this method, both the fluid and solid are regarded as pure fluid domains in the whole computational domain, and the solid boundary is divided into several Lagrangian grid points. The flow parameter or velocity is reconstructed by interpolation at the interface element, which is then directly used as the boundary condition of the flow field, thus reflecting the influence of the wall boundary conditions. The method constructs the calculation structure of “virtual point, force point and vertical foot point”, and the velocity of the virtual point is obtained by bilinear interpolation. Then, the velocity of the force point is calculated by forcing the solid boundary to meet the no-slip condition, and the equations of the coupling system based on the immersion boundary method are finally solved to realize the numerical simulation of the flow with a complex moving boundary. The numerical program for this immersed boundary method is established using C++, then the accuracy and reliability of the proposed method are validated by comparison with the literature and experimental results of the basic numerical example of flow around a cylinder. Furthermore, the effects of the structural shape and the angle of attack on the trailing vortex structure, the vortex shedding frequency, and the lift/ coefficient characteristics of the flow around the elliptical cylinder have been analyzed. The anti-symmetric S-type, “P+S” Ⅰ-type and “P+S” Ⅱ-type trailing vortex shedding modes, as well as the variation laws of the vortex structure size, vortex shedding frequency and lift-drag coefficients ratio with axis ratio and angle of attack, are captured. The critical angle of attack (25°) corresponding to the maximum lift-drag ratio is determined as 25°.     

模拟相变问题的精细积分边界元法

将精细积分边界元法和界面追踪法相结合求解相变问题。因为边界元法只需要将待求解空间域的边界离散,方便连续追踪移动界面位置和重构网格,所以边界元法适合应用于移动边界问题的模拟。首先,利用精细积分边界元法在固相区域和液相区域分别求解相应的瞬态热传导控制方程,从而求得温度场和边界热流密度。然后,根据固-液相变界面上的能量平衡方程,利用热流密度求得相变界面的移动速度,再采用界面追踪法预测移动相变界面的位置变化。最后,给出了几个数值算例,并通过与参考解的对比验证本文方法的准确性。     

维生素 E型人工膝关节在ISO标准步态与上楼梯运动下的磨损情况对比

为研究人工膝关节假体在ISO标准步态与上楼梯运动负载下的摩擦磨损情况,通过对日常活动频次及动力学和运动学的研究与分析,基于人工膝关节磨损试验机,以新型Vitamin E型人工膝关节为对象进行500万次标准步态磨损测试加200万次上楼梯运动磨损测试. 结果表明正常步态阶段的磨损率为4.34 mg/mc,上楼梯运动阶段的磨损率为5.95 mg/mc. 上楼梯运动相比标准步态对半月板衬垫的磨损量造成更大的影响,半月板衬垫表面形貌相较标准步态磨损后表面形貌也发生了显著变化,出现了条纹图案和局部凹陷,这种表面形貌结果更接近于临床半月板衬垫取出物的表面形貌,目前对于人工膝关节假体的标准磨损测试方式不够全面,需要进一步改进整个测试的方案才能更好地体现体外磨损测试的意义.      

集中载荷作用下不同边界条件的弯曲厚矩形板的受迫振动

运用边界积分法研究了四边简支、两对边固定另两对边简支、四边固定三种复杂边界条件下厚矩形板的受迫振动问题,求解过程清晰,从而给出了受迫振动控制方程和挠曲面方程。通过在Matlab平台上进行数值计算,得出了图表形式的计算结果,并与有限元模拟值进行对照。研究表明,边界积分法用于求解厚矩形板的受迫振动问题的准确性,本文推导的控制方程和挠曲面方程的正确性,进而对工程实际中的各种相关问题具有一定的现实意义,也为求解此类问题提供了一种新途径,可以直接运用到工程实际中。     

边界振动的微腔中薛定谔猫态的产生

采用全量子理论,考虑了边界振动的微腔(振动边界视作频率为ωm的量子谐振子)与单模辐射场构成的系统,在薛定谔绘景中,给出了系统的时间演化算符,得到了系统的态函数随时间的演化关系.结果表明,当振动边界回到初态时的腔场态能给出许多与已有文献不同的薛定谔猫态,且通过调整单模辐射场的频率可以选择想要的薛定谔猫态.