膝关节骨性关节炎轻症患者膝关节三维有限元建模及力学分析

目的:在缺少层厚较薄的CT和MRI数据的情况下建立膝关节骨性关节炎(KOA)轻症患者膝关节三维有限元模型,并研究胫骨平台内外侧的应力分布。方法:以一名患有轻度KOA的女性患者为研究对象,自盆骨至腓骨胫骨远端进行连续断层扫描。将得到的DICOM格式文件导入至Mimics软件中并通过阈值分割提取膝关节中的骨性结构,将提取出的骨骼进行蒙版编辑、空腔填充、区域增长等操作后导入3-matic中做光顺、包覆处理。在Geomagic Wrap将处理后的骨性结构使用网格医生检查,修复表面缺陷并拟合曲面。以轮廓延展的思路建立相关的软骨、半月板和韧带,并在SolidWorks中以原点重合的方式与骨性结构进行装配。接下来在ANSYS软件中定义材料、设置接触、划分网格、设置约束和载荷,分析在双腿站立下胫骨平台上的应力分布情况。结果:成功建立了包括骨性结构、软骨、韧带的完整膝关节模型。在双腿站立状态下,接触应力峰值约为1.21 MPa,位于胫骨平台内侧中部,胫骨平台外侧的最大应力为0.72 MPa,内外侧间室分别承担总载荷的62.7%和37.3%。结论:通过CT提取加软件绘制的方式建立了全膝关节模型,有限元分析结果符合临床预期,通过此方法建立的模型可靠,能进行后续的研究。

局部贴敷阻尼层空间管路有限元建模及贴敷位置优化

为了降低处于服役阶段的航空发动机管路的有害振动,描述了一种在管体表面局部贴敷黏弹性阻尼层对管路进行减振的方法,主要包括阻尼层-空间管路系统动力学有限元建模及阻尼层贴敷位置优化。在建模上,基于ANSYS平台建立了满足寻优算法调用的阻尼层-空间管路参数化有限元模型。同时,整个模型引入了两种阻尼,分别是卡箍的支撑阻尼和黏弹性阻尼层的材料阻尼。在贴敷位置优化方面,创建了以阻尼层贴敷位置为设计变量、以1阶最大共振响应最小为优化目标的优化模型,并给出了采用遗传算法对该优化模型进行求解的流程。最后进行了实例研究,用搭建的贴敷阻尼层空间管路试验系统校验了所创建的阻尼层-空间管路分析模型的合理性。在此基础上,执行了阻尼层位置优化,获得了在可移动范围内使共振响应最小的阻尼层贴敷位置方案,并通过与5种随机方案的数值比较证明了优化结果的合理性。

探究飞机液压管路支撑的有限元建模方式对应力分析的影响

本文以飞机为分析的主要对象,要求对飞机液压管路支撑的有限元建模方式对应力分析的影响展开分析,要求经过分析后,能保证飞机液压管路保持较好的运行水平,满足飞机运行的需求,保证飞机服务作用体现。

铝合金带筋板船体结构有限元建模方法研究

带筋板是目前常用的铝合金板材型式,在这类铝合金带筋板上布置的横向加强筋一般采用悬挂式结构,纵向加筋采用骑筋结构形式。悬挂式及骑筋结构在装配和焊接等方面具有工艺简便快捷的优势,但在结构有限元建模分析中,这2种结构形式会产生一定困难。若要用有限元模型详细描述悬挂式及骑筋结构需很细化的单元,对于铝合金带筋板构成的船体或舱段结构中数量庞大的悬挂式和骑筋结构,必然使得单元的数量剧增,会给结构分析带来困难。因此,需要一套大型铝合金带筋板结构中悬挂式结构及骑筋结构的简化建模方法和规则。本文应用结构分析软件MSC.Patran对典型带筋板结构进行有限元建模,通过计算分析研究提出悬挂式和骑筋结构的简化建模方法。该方法既能保证模型结构的合理性,又能满足精度要求,同时明显降低了模型的自由度规模,可为具有悬挂式和骑筋结构的铝合金带筋板船体结构有限元建模参考。

计及接触非线性的钢丝编织增强软管精细化有限元建模方法

聚四氟乙烯软管是一种用于航空发动机管路中的钢丝编织复合柔性软管,为了较为准确预测其疲劳寿命,需要建立有效的力学模型。针对以往研究未考虑编织层间接触状态影响软管力学性能等不足,提出根据软管多层结构参数建立钢丝尺度精细化有限元模型的方法,该模型可计算编织层间的接触状态、钢丝间的摩擦应力和软管力学性能的非线性变化。通过应变测量实验验证了模型的有效性,在压力载荷下,软管呈径向膨胀轴向缩短变形状态,中间区域应变基本一致,且应变以周向为主,轴向为周向的20%~30%。在0~20MPa工作压力范围内,由于编织层接触状态的改变,软管表现出3种不同的力学性能,压力从3MPa增加到4MPa过程中,编织层逐渐发生接触,编织层应变、应力曲线出现转折点,而内管和橡胶层转折点略迟于编织层。

下颌三维有限元建模与动态载荷下的应力分析

目的:研究并完善基于锥形束CT(CBCT)图像的牙列、颌骨和牙周膜的三维有限元建模方法,分析模拟咀嚼动态加载时的应力分布。方法:选择一名牙列整齐、无牙体缺失、牙周健康的女性志愿者,用CBCT扫描头骨,从图像中提取下牙列与下颌骨模型,修复缺陷并进行曲面优化,对牙周膜建模并装配各部分构成三维实体模型,接着定义材料属性、划分网格、设置约束、施加载荷,分析牙列与周围骨组织在动态载荷作用下的应力分布。结果:成功构建人体下牙列、牙周膜和下颌骨的三维有限元模型。在动态加载下,等效应力峰值(44.73 MPa)位于下颌第一磨牙牙根处,牙周膜与牙颌骨在斜向载荷下会出现应力集中现象。结论:利用CBCT扫描结合多种软件可建立仿真度良好的下颌三维有限元模型,适用于后续生物力学研究。在Mimics软件中用不同阈值提取模型可使结果更精细。减小颊尖倾斜度降低受到的剪切力可改善应力集中现象。

贴敷多约束阻尼片Z形管路参数化有限元建模及振动分析

为了提高管路动力学减振设计的效率,以贴敷多个约束阻尼片的Z形管路为对象,研究以阻尼片的几何参数、位置参数及材料参数为设计变量的管路系统参数化有限元建模方法。首先,阐述了管路系统参数化建模理念,将参数化建模过程中涉及的参数分为非受控参数和受控参数;其次,对管体沿轴向切分及沿周向按固定角度划分网格,使约束阻尼片与管体单元节点相对应,并创建用于储存卡箍节点位置信息的参数化循环数组,实现适应参数化的卡箍节点编号更新;再次,进行了实例研究,用所描述的方法实现了对应3种贴敷方案的Z形管路系统参数化有限元建模;最后,对比贴敷约束阻片前后管路的振动参数,评估各方案的减振效果。研究结果表明:贴敷约束阻尼片后的管路系统的第1阶共振响应均出现不同程度降低,约束阻尼片周向贴敷范围对振动响应的影响最大,增加贴敷长度及阻尼片厚度对减振有利。

含压电分流阻尼整体叶盘机电耦合有限元建模与减振性能分析

为了抑制整体叶盘的有害振动,提出了一种在叶片上均布压电分流阻尼片的减振方法。首先,在建模过程中,用压电片-叶盘基体复合单元来模拟压电片与基体之间的机电耦合,进一步将连接电阻分流减振效果等效为贴敷具有频率依赖性的黏弹性阻尼引起的效果,并将电阻分流电路以复刚度的形式引入整体叶盘有限元模型,以简化整体叶盘为对象,创建了含压电分流阻尼整体叶盘机电耦合有限元模型;第二,基于创建的动力学模型及搭建的实验系统,分析压电分流阻尼的减振效果;第三,以等间隔分布4个压电分流阻尼片的整体叶盘结构为对象进行实例研究,验证所创建的复合结构动力学模型的合理性;最后,基于创建的模型,重点分析了连接的电阻及压电片贴敷位置对整体叶盘减振效果的影响。研究结果表明:压电分流阻尼对整体叶盘具有一定的减振效果;对于电阻分流电路,存在一个最优电阻可以使减振效果最好,例如对于2阶次激励,在每个压电片连接14 kΩ分流电阻时减振效果较好;压电片贴敷在叶片根部对减振效果最佳,相比开路状态,连通分流电路后振动响应降低了18.3%。

基于三维地勘数据平台的快速有限元建模方法

随着计算机可视化技术和数值分析方法的快速发展,三维地质建模和有限元技术在岩土工程和城市防灾减灾领域应用越来越广泛。但目前对两者间有效衔接的研究还明显不足,导致了许多重复性工作和较低的工作效率。针对这一问题,提出了一种基于三维地勘数据平台的快速有限元建模方法。利用Python语言及其Mayavi库开发了基于有限个钻孔的可视化平台,应用两种互补的空间插值法—反距离加权插值法(IDW)和克里格空间插值法(Kriging)实现地层分界面模拟,并进行层间拓扑关系分析优化。重点引入虚拟钻孔概念,提出将三维地层模型截取地块信息转化为有限元软件内置命令文件的衔接方法。以Plaxis 3D为例,实现同一大型场地不同地块的快速有限元建模和分析,为未来大规模岩土工程建设和城市防灾减灾的相关分析提供借鉴。

有限元建模和分析在膝骨关节炎退变中的研究进展

骨关节炎(osteoarthritis, OA)是中老年人最常见的膝关节疾病,其发生是机械和生物性因素相互作用的结果,膝关节是一个复杂的机械系统,膝OA过程中生物力学变化对于预测疾病进展具有重要作用。有限元(finite element, FE)建模和分析技术是一种有效的工具,可以帮助研究人员预测和评估膝OA的发展和进展。本综述概述模拟膝关节不同解剖结构退化FE模型(包括关节软骨、软骨下骨、软骨退变和软骨下骨重塑耦合、半月板肌肉骨骼及前交叉韧带重建FE模型)所涉及的挑战和治疗进展,并对所面临问题进行分析和讨论。

中小跨径桥梁荷载试验有限元建模的梳理

通过对中小跨径桥梁荷载试验有限元建模的思路进行总结和对比,分别梳理装配式梁桥、整体式箱梁桥、拱桥的建模过程,总结建模关键要点,对建模过程的结构信息梳理、有限元建模和计算、数据后处理进行分析,理清了桥梁荷载试验的具体计算思路。

主动约束层阻尼薄板有限元建模及振动控制

为了解决薄板结构在应用于各个工程领域所产生的振动过大问题,以主动约束层阻尼(active constrained layer damping, ACLD)薄板结构作为研究对象,进行振动控制研究。首先,构造4节点28自由度单元对该结构进行离散,其中黏弹性层采用复常数剪切模量本构模型,引入等效Rayleigh阻尼表示基层的阻尼,通过Hamilton原理推出了ACLD薄板结构的动力学模型;其次,针对建立的动力学模型自由度过大的问题,采用物理空间下动力缩聚和状态空间内平衡联合降阶保证模型具有良好可控性和可观性;最后使用最优二次型LQR(linear quadratic regulator)控制对系统进行振动控制。研究结果表明,该文建立的有限元模型在不同边界条件、覆盖方式不同情况下仍然具有有效性,使用联合降阶法后模型依旧能够准确、可靠的表述原系统动态特性。在脉冲激励和带限白噪声下依旧能够抑制系统振动。

有限元建模与实测应变分析——以九江地震台为例

为研究区域地质构造的地壳应变状态,利用数字高程模型(DEM)数据构建数字化三维地形模型,再添加区域地质岩石属性建立有限元三维地质模型,并施加重力和热荷载,进行有限元与实测应变分析。以九江地震台为例,利用有限元模型及台站实测温度和应变数据,展开区域应变分析。结果表明,有限元建模应变解算结果与实测应变结果较符,均值量级皆为10^(-5),都呈明显的季节性周期变化趋势;模型热应变和定向应变分别能较好地反映温度造成的应变差异和不同方向的应变变化;模型应变能在一定程度上反映区域应变的变化范围和量级大小,有益于缺乏实测应变条件的区域开展应变分析。

依据ISO 12835标准的热采井特殊螺纹的有限元建模分析

提出了一种Φ177.80 mm×8.05 mm K55热采井特殊螺纹设计,依照ISO/PAS 12835标准对该特殊螺纹进行材料性能评估以及材料模型和结构模型下的有限元分析。其中分析材料性能得到的不同温度下的应力-应变曲线特征点可作为数据输入到有限元软件中。采用有限元方法评估了接头在最佳上扣及温度循环条件下,不同结构公差的最差工况,材料性能变化对密封能力的影响,以及最后一次上扣扭矩要求。最后分析了特殊螺纹在温度载荷循环作用下结构的完整性。极限加载应力分析显示在整个温度加载循环条件下特殊螺纹未出现滑脱、颈缩、屈曲等现象。

多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析

重载机械式主轴是重型数控(Computer numerical control,CNC)机床摆角铣头的关键功能部件,具有大功率、大扭矩特点,用于加工大型复杂曲面零件。其有限元建模及模态分析的准确性是主轴进一步动力学分析的基础。基于Timoshenko梁理论建立重载机械式主轴的运动方程,采用有限元法得到主轴的矩阵形式的动力学方程;在有限元软件中分别以实体单元和梁单元对主轴进行有限元建模,对轴承以Combin14弹簧单元建模,并以自由模态和实际工况约束条件下进行重载机械式主轴的模态分析;根据轴承型号计算轴承的径向刚度,作为重载主轴模态分析中弹簧单元的刚度参数;进行主轴锤击模态试验,验证重载机械式主轴多约束状态下模态分析建模及仿真结果的正确性。研究表明,把主轴考虑为Timoshenko梁单元和Beam188梁单元进行主轴有限元建模和模态分析时,结果更为准确,弹簧约束梁方式更符合实际情况。研究结果为重载机械主轴系统的进一步优化设计和精度控制提供依据。

客车车骨架有限元建模技术及结果分析

对于客车身骨架类的框架结构 ,用梁单元建模不仅具有建模简单、计算量小的优点 ,而且通过一些建模技术 ,精度能很好地满足工程要求。以某集团的CJ612 1GCHK型客车车身骨架为例来阐述框架结构的梁单元建模技术及结果分析技术 ,通过一些模型简化措施 ,建立并简化了梁单元模型 ;采用短梁单元对其连接区域进行模拟 ,提高了框架结构梁单元的建模精度 ;通过不同典型工况下结构的强度、刚度性能较核 ,进行了结果分析 ,提出了对该客车车身骨架进行结构粗略修改的依据。

大口径薄壁小弯曲半径数控弯管有限元建模和实验

针对大口径薄壁小弯曲半径管件在航空航天领域日益迫切的需求,在对数控弯曲过程的实验和理论分析基础上,选用动态显式有限元平台ABAQUS/Explicit,以50mm×1mm(外径×壁厚)系列不锈钢和铝合金大口径薄壁小弯曲半径管件为例,实现了包括弯管、抽芯、卸模回弹的完整的数控弯曲有限元模型的建立,结合实验研究对比讨论了大口径小弯曲半径管件弯曲过程建模的难点和解决方法。

大型变压器绕组有限元建模与分析

研究了变压器绕组预紧力与变压器箱壁振动之间的关系。通过结合有限元模型和振动实验识别不同预紧力下绕组的特性参数;进而通过测量变压器箱壁振动,根据建立的变压器整体模型以及前面识别的绕组特性参数来计算和预测内部绕组的预紧力状况。

六边形蜂窝夹层板的参数化有限元建模方法

针对几何建模、边界条件定义和网格划分等需求,提出了一种六边形蜂窝夹层板的参数化有限元建模方法.首先定义节点位置与蜂格几何参数之间的数学公式,通过数学公式严格定义特征平面与节点编号之间的拓扑关系,建立方向一致向外的上、下平面;然后采用映射法将上、下平面分割为相应的特征平面,并生成三边形结构化网格.基于该方法,建立了多功能结构加工样件8个设计方案的六边形蜂窝夹层板的有限元模型.最后通过分析最大应力和最大变形确定4#和8#方案为可行方案.其中8#方案被航天单位采用,实现了多功能结构加工样件的成型,初步证明文中方法的有效性,并为多功能结构的参数优化奠定了基础.

高速切削温度场的三维有限元建模与动态仿真

根据温度场控制方程及其边界条件,建立高速切削的三维有限元分析模型,将切削过程的温度分布和变化情况以及切削速度、进给量和切屑厚度等对切削温度的影响进行仿真分析,与相同切削条件下的二维仿真结果和实际测试结果进行对比,可以得出结论:三维建模仿真得到的高速切削温度变化趋势与相关文献结果基本一致,但三维仿真获得的温度值比二维仿真要高些,并且三维仿真的温度值更接近于实际测量值。