生物力学分析:5种不同方法腰椎融合术的有限元模拟研究

目的比较5种不同入路腰椎融合术的生物力学特性。方法利用有限元软件建立包括TLIF、ALIF、OLIF、XLIF和PLIF在内的5种手术模型进行6种运动状态下的活动度、上下终板和软骨的最大应力变化的测量、分析,比较5种模型的稳定性。同时针对现有手术模型展开动态力学分析,在模拟人体生理振动工况下,测量上下终板最大应力点的瞬态应力曲线以及应变能变化波动。结果在静力学分析中,5种手术模型在6种工况下,L4下终板的应力会比L5上终板的应力稍大一点,同时L4下终板的Z方向最大位移值明显大于L5上终板,自稳定融合器支撑的ALIF手术模型的下终板应力最小,但是上终板应力表现没有明显优势,同时有着非常好的稳定性;软骨应力分析部分,TLIF手术模型的软骨应力在6种工况下都最小;在瞬态动力学分析中,ALIF手术模型在循环振动载荷下L4下终板的应力值适中,且振动的幅值明显大于其余4种模型,TLIF手术模型的两终板瞬态应力都最小且振幅波动适中,TLIF手术模型中融合器应变能最小,刺激骨填充物生长速度最慢。结论静力学分析中,ALIF手术模型表现良好,但是由于整体钛合金材质且融合器体型过大,在瞬态动力学分析中,表现不佳,可在后续的研究中,针对这一方面的特性进行优化。

机器人制孔末端执行器的设计及静动力学分析

提出了一种新型机器人制孔末端执行器的模块化结构设计方案,阐述了该末端执行器的主要模块结构设计、技术特点和技术参数。针对末端执行器整体和主要结构零件分别进行了有限元静力学及动力学分析计算,分析结果表明结构设计科学合理。同时,进一步揭示了高速制孔末端执行器与其匹配的机器人成本和制孔质量之间的关系,可以为其他类似机器人末端执行器设计提供参考。

考虑锚杆预应力作用下隧道围岩力学分析及参数设计

隧道工程中锚杆设计多依靠经验法和类比法,为研究预应力锚杆支护体系下围岩的力学效应,建立预应力锚杆与围岩力学耦合模型,考虑围岩开挖损伤效应,通过弹塑性力学理论推导出隧道开挖后围岩应力分布及径向位移解析表达式,采用有限差分软件FLAC3D进行算例验证并分析预应力锚杆参数对围岩状态的影响。研究结果表明:理论解析和数值模拟中最大切向应力和围岩塑性区半径分别为4.77 MPa、15 m和4.49 MPa、15.86 m,理论解析与数值模拟所计算隧道围岩应力分布、位移基本一致,在Ⅳ、Ⅴ级围岩地层中验证了理论解析解的合理性;随着预紧力增大,处于塑性区的围岩径向位移及塑性区半径逐渐减小,弹性区基本不受影响;当锚杆自由段长度位于塑性区时,随着锚杆长度增加,围岩塑性区径向位移及塑性区半径逐渐减小。在实际工程中应尽量增大锚杆预紧力,锚杆长度增加对围岩位移以及塑性区的发展控制效果有限,应控制锚杆自由段长度在塑性区内。

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

高温磁悬浮轴承-转子系统建模与动力学分析

在多电航空发动机中,主动磁悬浮轴承因其耐高温、非接触等特性可以突破温度对支承部位的限制,使支承部位能够更靠近燃烧室.为探究温度对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响规律,提出一种高温磁悬浮轴承转子系统动力学建模方法.通过仿真得到转子在不同温度下的温度分布,并使用多项式拟合转子轴向温度分布;基于有限元方法推导柔性转子单元的动力学模型,引入温度影响,建立考虑温度影响的磁悬浮轴承转子系统整体动力学模型,并通过模态试验验证模型的准确性;基于理论动力学模型分析系统的动态特性.结果表明:温度升高会导致转子的前三阶支承模态频率下降,增大各阶幅频响应幅值;当温度从常温升至450℃时,转子的前三阶弯曲支承模态频率分别降低了3.818%、5.670%、3.183%,前三阶弯曲模态幅频响应幅值分别升高了83.4%、34.4%、24.1%.

超临界二氧化碳混合工质储能系统热力学分析

为了解决可再生能源的间歇性和不稳定性等问题,基于超临界压缩二氧化碳储能(supercritical compressed carbon dioxide energy storage,SC-CCES )系统,利用CO_(2)基二元混合物作为循环工质,对系统进行热力学性能分析。研究不同混合工质在不同比例下的储能性能以及储能系统往返效率和储能密度的变化规律。结果表明:超临界CO_(2)混合工质储能系统的往返效率随着混入氪气质量分数的增加而升高,且高于单一CO_(2)工质的往返效率;随着混入异丁烷、R32、R134a、丙烷的质量分数的增加能够使储能密度逐渐增加。研究结果可对未来建设CO_(2)混合工质储能循环工程应用奠定理论基础。

清林机履带底盘架静力学分析及优化设计

以自主设计的清林机为研究目标,对其履带底盘架进行静力学分析并优化。首先对履带底盘所需主要参数进行设计计算,根据计算结果在Solidworks软件中初步建立了三维模型。而后利用Ansys软件对履带底盘架进行静力学分析,结果显示其强度满足使用要求,但材料性能有冗余,故对其进行了拓扑优化设计,根据优化结果重新建立了三维模型,并对其进行了静力学分析。分析结果显示优化后的履带底盘架性能仍满足使用要求,材料性能冗余的情况得到了改善,并且降低了履带底盘的重量,为之后类似机构的优化设计提供了参考。

基于双模量理论的不同沥青路面力学分析

为研究考虑拉压模量差异的沥青路面结构力学响应变化规律,基于双模量理论对5种典型沥青路面结构进行了力学对比分析。研究结果表明:基于传统线弹性理论与双模量理论计算得到的关键力学响应差距巨大,用这两种方法计算得到的倒装式沥青路面结构、柔性基层沥青路面结构及刚性基层沥青路面结构的力学响应的最大差距分别达55%、33%及50%;5种沥青路面结构路表均存在较大的横向拉应变,建议在路面结构设计时将路表轮隙区纳入拉应变验算点位;基层刚度与厚度对路面结构层关键力学响应影响显著,路表水平横向拉应力与拉应变均随着基层刚度及厚度的增大而增大,基层底部纵向拉应力则随着基层厚度的增大而减小。建议采用双模量理论开展沥青路面结构分析,且在路面设计时合理控制基层的厚度与刚度可有效优化路面结构的受力。

混合弹性边界下板类结构的动力学分析方法

板结构与其他构件的装配关系可用不同的边界条件进行模拟,然而针对不同边界条件的板结构进行动力学特性分析,目前缺乏统一的数学建模方法。以混合弹性边界条件下加筋、开孔的板类结构的横向振动为例,利用Rayleigh-Ritz法和模态叠加法求解矩形加筋多孔板在简谐激励下的动力学响应问题。采用将开孔板与加强筋沿交界面进行分离,结合改进的傅里叶级数设定开孔板的横向振动位移函数,利用不同刚度弹簧模拟混合弹性边界,推导加筋矩形开多孔板和边界弹簧系统的动能与势能,求解其在简谐激励下的动力学响应。经对比,理论计算结果与有限元(Finite Element Method,FEM)结果吻合良好。此外,用同样的方法分析不同孔尺寸对结构固有频率和响应的影响。研究发现,可通过改变加筋板的开孔形状、尺寸对结构的振动特性进行调整。研究成果可为混合弹性边界板结构动力分析提供一种新的技术途径,可以简化加筋开孔板结构动力分析的步骤。

电动叉车轮边减速器壳体的力学分析及优化

受静力和动力影响,电动叉车轮边减速器壳体易造成变形失效和振动疲劳失效等问题。因此,使用ANSYS有限元分析软件对减速器壳体分别进行静力学分析和动力学谐响应分析。研究发现,当满载工况条件下,壳体轴承内圈中下部发生明显变形,采用增加轴承壁厚方法对内圈中下部风险位置进行优化,能使壳体力学性能满足使用要求;当激励频率为2669.5 Hz时,壳体下群部力学性能较差,寿命较短,采用减少下群部预留孔数量的方法对下群部风险位置进行优化,能改进壳体力学性能,延长壳体的使用寿命。

基于力学分析的小孔冲头的设计及改进

通过冲裁加工中的变形过程和受力分析得出小孔冲头会因压缩强度不够或纵向弯曲失稳而折断。通过压缩强度计算分析得出不同材料能冲制的最小孔径;并提出了当冲制的孔径小于最小孔径时的改进措施(冲头设计成带台阶的、改变冲头切刃形状、板料加热红冲、多凸模阶梯布置等)。通过弯曲稳定性计算得出无导向冲头的最大悬伸长度L最大;并提出当冲头长度很长(L>60mm)时应有导向(冲头装在一个保护套内或带有导套)的改进措施。从而有效地提高了冲头的强度和刚度并提高了模具的使用寿命和断面质量。

基于Ansys的汽车传动轴的力学分析和轻量化设计

[目的]探究使用轻量化设计方法提高汽车传动轴的性能和效率。[方法]以传动轴的三个关键部件凸缘叉、花键轴叉以及万向节叉为研究对象,提出了以密度为基础进行拓扑优化的结构设计方法。对建好的模型进行力学分析,根据分析结果,对可能存在的问题进行优化,并对优化的部件再次进行力学校核测试,直至符合安全要求。[结果]该设计方案较已有相关方案表现优异,最终方案使传动轴的质量降低了约18%。[结论]该优化方式为减轻重量提供了一种切实有效的方法,也可用于减轻器械重量、降低能源消耗和改善环境。

基于数字化的反应堆系统力学分析集成技术研究

为实现反应堆系统力学分析评价工作中数据与软件的高效集成,解决力学分析中的协同问题,文章研究数据融合及分析软件集成技术,包括反应堆系统力学分析工作流定义与管理;采用SQLite数据库,设计合适的数据结构,实现反应堆系统主系统、辅助系统管道、支吊架以及管件等计算数据的存储、管理与共享;建立不同分析软件间载荷数据的自动传递功能及自动调用接口等,打通反应堆系统力学分析过程中的数据链路与接口传递。通过程序开发及工程应用,数据融合及软件集成技术的运用可实现反应堆系统力学分析评价工作中数据的共享与高效利用,提升了分析过程中各环节的数据协同能力。

中药渣水解炭燃料特性及热解燃烧动力学分析

中药渣因含水率高而处理困难,将中药渣经水热处理后有较好的应用前景。以中药渣为研究对象,采用水热处理获取中药渣水解炭,通过工业分析及元素分析、热重分析及动力学分析研究了水热处理对中药渣水解炭特性的影响。结果表明:随着水热处理温度升高,中药渣水解炭的固定碳及元素C含量、燃料比(水解炭的空气干燥无灰基固定碳与挥发分的质量比)及高位发热量增加,挥发分、元素H及元素O含量明显降低,n_(O)/n_(C)及n_(H)/n_(C)逐渐降低,水解炭性质接近一般动力煤性质。热重分析发现热解过程中,280℃下形成的水解炭在160℃~300℃和300℃~500℃出现较明显的双峰失重峰,其余水热处理温度下形成的水解炭仅在275℃~400℃出现一个极明显失重峰。随着水热处理温度的升高,水解炭热解活化能由69.56 kJ/mol降至40.55 kJ/mol。水解炭燃烧过程主要经历四个阶段,180℃~295℃主要是小分子挥发分热解阶段,其活化能为63.65 kJ/mol~105.02 kJ/mol;295℃~390℃主要是小分子挥发分主要燃烧阶段,其活化能为10.78 kJ/mol~35.76 kJ/mol;390℃~410℃主要是大分子挥发分析出与燃烧阶段,其活化能为117.08 kJ/mol~201.61 kJ/mol;410℃~520℃主要是固定碳与焦炭的燃烧以及少量矿物与无机化合物的热分解阶段,其活化能为22.18 kJ/mol~92.10 kJ/mol。随着水热处理温度升高,水解炭燃烧同一阶段的指前因子与活化能变化趋势一致。水解炭的可燃性指数、着火指数以及综合燃烧指数随着水热处理温度升高、水热时间增加以及固液比的增大而减小,固液比为1 g:15 mL且在220℃下水热1 h获得水解炭的燃烧性能较好,综合燃烧指数为3.55×10^(-10)/(min^(2)·℃^(3)),可为高湿固废水热燃料化的应用提供参考。

中国情境下PPP项目商业模式创新意愿影响因素的系统动力学分析

新发展格局下,商业模式创新对推动政府和社会资本合作模式(public-private-partnership,PPP)可持续发展具有重要作用,因此,对其影响因素的分析具有重要意义。基于文献分析设计访谈提纲,通过对访谈资料的三级编码识别出PPP项目商业模式创新意愿的22个影响因素;采用系统动力学方法(system dynamics,SD)探究了PPP项目商业模式创新意愿的影响关系及路径,构建了SD模型并仿真模拟,确定了4个关键影响因素:创新政策、政府部门创新自由度、社会资本自身实力、项目公司运营维护能力;据此提出了3条管理启示:完善PPP项目商业模式创新的政策环境、公私双方在PPP项目采购阶段做好相互选择、提升项目公司运营维护水平。

混合联肢PEC墙结构简化力学分析模型及承载力计算

为克服钢筋混凝土墙肢底部易发生脆性破坏的缺点,提高联肢剪力墙结构的抗震性能,采用PEC剪力墙肢代替混合联肢剪力墙结构中的钢筋混凝土剪力墙肢,形成新型混合联肢PEC墙结构.通过改变钢连梁截面尺寸、PEC墙肢宽厚比以及楼层数形成3个系列共8个模型,研究了弹性耦连比和改变弹性耦连比的方式对混合联肢PEC墙结构滞回性能和应力分布的影响.结果表明:各个系列模型滞回曲线均饱满而稳定,未出现明显捏缩现象,证明混合联肢PEC墙结构抗震性能好、耗能能力强,适用于高烈度抗震设防地区;与已有联肢墙结构研究成果一致,弹性耦连比是影响混合联肢PEC墙结构整体性能的主要因素,并不会因为实现方式不同而影响结构应力分布规律;为保证结构达极限承载能力状态时各层钢连梁均发生剪切屈服并充分发展塑性,同时避免受拉侧墙肢发生延性较差的小偏心受拉破坏,应控制弹性耦连比小于等于70%;基于有限元模型分析结果,探讨了混合联肢PEC墙结构受力机理,建立了结构简化力学分析模型,给出了极限承载力计算公式;试验及有限元模型分析结果与理论计算结果误差在15%以内,且均为理论值偏低,证明本文提出的混合联肢PEC墙结构极限承载力计算公式精度较高且偏于安全,可用于计算结构极限承载力.

一种用于汽车零部件分拣与传送并联机构的设计及动力学分析

为实现对汽车零部件的智能分拣与传送,提出了一种全铰链新型一平移一转动(1T1R)并联机构,其结构简单且部分运动解耦。首先,基于方位特征方程的拓扑设计理论和方法,设计、分析了一种2自由度1T1R并联机构;其次,基于拓扑特征运动学方法,求解出机构的符号式位置正解,并对该机构的工作空间、奇异性进行了计算;最后,运用基于虚功原理的序单开链法,求得其驱动力矩和子运动链(Sub Kinematic Chain,SKC)连接处的支反力。研究为汽车零部件并联机构设计研究奠定了基础。

三七药渣中多糖提取工艺优化及其动力学分析

以三七药渣为原料,探讨了超声辅助提取三七药渣中三七多糖的优化工艺,并对提取过程进行动力学分析。在单因素实验的基础上,利用BBD(Box-Behnken Design)响应面法优化工艺条件,得到最优提取条件为:超声温度60℃、超声功率136.8 W、超声时间53 min、液固比43 mL/g,此时多糖得率为6.79%。通过测定不同超声功率、不同超声时间下提取液中的多糖浓度,得到超声辅助提取三七药渣中三七多糖的提取速率常数、相对萃余率,验证了所推导的动力学模型,拟合得到了半衰期以及有效扩散系数回归方程。

煤矿带式输送机驱动滚筒力学分析

以DY8015型带式输送机为例,介绍一种基于有限元分析的煤矿带式输送机驱动滚筒力学分析方法。该方法主要将驱动滚筒材料、规格尺寸、形状等参数录入Ansys有限元分析软件内,由软件自动构建驱动滚筒力学模型,再以此为基础分别对驱动滚筒进行动力学分析与静力学分析,以得到驱动滚筒的力学特性,为驱动滚筒结构的优化设计提供支持。结果表明,有限元分析法具有一定应用价值。

基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性,利用向量代数方法,对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析;根据有限元形函数理论,建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法;在几何运动学分析的基础上,基于力矩平衡原理,分别进行正向与逆向动力学分析;利用线性变换原理并结合传递矩阵法,建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型,并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型,进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明,所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。