不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性分析

背景:有限元计算模型作为一种重要的工程分析技术已被广泛应用于生物工程研究的各个领域,然而,很少有文献介绍不同年龄阶段膝关节有限元计算模型每个解剖结构的材料性能,以满足不同的研究目的。目的:在前人膝关节有限元研究的基础上,总结不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性。方法:英文检索词为“Knee,finite element,material selection,ligament injury,osteoarthritis,elderly,children,young people”等,中文检索词为“膝关节,有限元,材料选择,韧带损伤,骨关节炎,老年人,儿童,年轻人”等,分别检索中国知网、PubMed数据库,文献检索时限为1950-2024年,就纳入与排除标准,最终纳入108篇文献进行归纳总结。结果与结论:儿童膝关节骨密度会随着年龄的增长而增加,在成年后达到峰值。中年到老年阶段,膝关节股骨、胫骨、腓骨、髌骨的弹性模量会随着年龄的增加而降低,进而回归到儿童时期的弹性模量。儿童与成年人软骨的弹性模量基本一致,而老年人的软骨弹性模量增大。随着年龄的增长,膝关节韧带的弹性模量会出现一定程度降低,但年轻人与老年人膝关节韧带的弹性模量无显著差异。随着年龄的增长,膝关节半月板机械完整性的丧失会损害组织的生物力学功能,扰乱组织有效承载和传递的各向异性生物力学响应。膝关节有限元建模可以深入了解膝关节的生物力学特性,开发新的植入材料、预测膝关节疾病、改进手术技术,并指导患者康复锻炼。

大体积混凝土水化热有限元计算及温控措施探讨

大体积混凝土水化热导致的温度效应直接关系到桥梁结构的安全和正常使用,为避免混凝土在施工过程产生温度裂缝,需要在大体积混凝土施工前进行水化热分析,并在施工过程中采取温度控制措施(以下简称温控措施)。文章以某斜拉桥辅助墩承台大体积混凝土工程为实例,采用有限元方法测算承台中布设的3层冷却管对大体积混凝土水化热的影响,根据计算结果布置承台温度测点,并将实测数据与有限元解法进行对比分析,结果显示两者符合度较好,可采用有限元解法指导实际施工。此外,研究发现将适量粉煤灰中掺入大体积混凝土,可有效降低温升峰值和延缓温升峰值的出现,防止混凝土产生温度裂缝;冷却管的应用有效调节了大体积混凝土的温度场,其降温效果比未布置冷却水管的混凝土降低了1℃~7℃,降温作用显著。该研究可用于指导大体积混凝土的设计和施工,并为类似工程提供参考。

基于遗传算法和有限元计算联合仿真的尾翼轻量化设计

针对尾翼轻量化设计,提出了一种联合仿真优化设计方法,以改进遗传算法为寻优算法,用有限元计算完成受力分析,编写程序使寻优过程和有限元计算过程联合对结构进行优化。将结构参数离散为设计参数并编码,将有限元计算结果作为约束条件,零件体积为优化目标,通过外点法将约束和目标转换为适应度函数,经过迭代获得最优结构参数。仿真结果表明:用该方法优化对某型火箭弹尾翼进行优化,在满足原工况下的受力要求的同时,减轻了约30%的结构质量,该优化方法具有一定的可行性;在联合仿真寻优的过程中,多种群遗传算法相对于普通遗传算法有更好的搜索效果。

有限元计算在汽轮机转子应力分析的应用

基于国内某燃机电厂进口汽轮机提高进汽温度的技术改造,以汽轮机转子为研究对象,采用有限元计算分析方法构建了汽轮机转子几何模型,对汽轮机转子在启动及带负荷运行阶段的温度场、热应力分布、离心应力分布以及耦合应力分布状况进行计算,获得转子关键部位最大等效应力的时间变化历程,明确转子耦合应力最大值的位置和特征时刻。计算结果表明,高低压转子最大耦合应力均在转子材料的屈服强度范围内。对于汽轮机提升温度改造后转子服役的安全性评估,有限元应力分析方法提供了理论计算依据,具有一定的工程应用价值。

基于有限元计算的汽轮机转子启动曲线优化

文章基于有限元计算方法,对汽轮机转子在裂纹修复前后状态下的冷态启动、温态启动和热态启动等瞬态工况进行了强度计算与分析,得出了转子瞬态工况下的温度场分布和最大应力比。针对修复后的转子,提出了热态启动优化方案。结果表明,优化后的启动曲线能有效降低转子在启动过程中的峰值应力,提高机组运行的安全性。

南新泾泵闸大体积混凝土闸底板温度应力场有限元计算分析

为研究不同工况条件下大体积混凝土温控措施的可行性,开展了大体积混凝土闸底板温度应力场有限元计算分析。以上海南新泾泵闸工程为例,对闸室底板段大体积混凝土不同截面处的温度进行仿真计算,并将成果数据与相应截面的温度实测数据比对,验证模型及参数的准确性。在模型的准确性得到验证之后,以温度为荷载进一步对底板应力进行计算,确定底板拉应力的分布规律。结果表明:有限元计算分析的底板整体受力符合大体积混凝土受力状态分布规律,大体积混凝土闸底板底层浇筑区和两侧齿墙边缘棱角处出现了拉应力集中,可为“内部降温、外部保温”的温控防裂策略提供依据。

转塔式单点系泊系统结构性能有限元计算

针对油码头不能直接供油的不足,有必要研究其它类型的海上石油装卸平台以配合或代替油码头。文章通过对转塔结构进行计算分析,对模型进行一定程度的结构简化,主要讨论其危险构件的应力情况,讨论不同工况的最大应力,同时讨论加强构件的作用。由于系统处于平衡状态,以转塔式单点系泊系统的水动力载荷平衡的系泊力进行分析。此外还对破损情况进行了安全性分析,所得结果符合安全要求。该研究可为转塔式单点系泊系统设计提供参考。

电磁阀电磁场有限元计算软件

针对电磁阀计算的手工演算程序和基于磁路方法的不足,根据工程需求情况,选择了简单、成熟的二维有限元法,提出了电磁阀的二维电磁场有限元计算模型,为利用已有的计算程序,对外施电压约束采取了迭代计算的处理方法。软件界面采用易于掌握的VB编程,计算结果的后处理则利用了Matlab的强大功能。该方法有效地解决了常用的基于磁路方法无法处理涡流场问题,并减少了设计、开发的工作量。

750kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算

特高压架空输电线路绝缘子串的电压分布对于绝缘子的相关设计和运行维护非常重要。运用静态电场的三维有限元法分析计算了750kV输电线绝缘子串的电压分布,考虑了绝缘子电介质、屏蔽环、输电线路及铁塔对绝缘子电压分布的影响;比较了计算结果与实测值,并分析了误差产生的原因。根据计算结果建议对于玻璃绝缘子串加屏蔽环以减少第1片绝缘子承受的电压百分比。运用三维有限元法计算高压绝缘子串中的电压分布是可行且有效的,可应用于更为复杂条件下的绝缘子串电场分布的计算分析。

鼠笼异步电机起动性能的时步有限元计算

时步有限元方法是计算鼠笼异步电机暂态起动特性的一种有效方法,本文针对当前该方法在工程应用中存在的问题展开了研究。在转子转动的处理方面,通过对现有方法进行改进,得到了一种新的处理有限元运动问题的方法——边界耦合法,解决了现有方法存在的效率低、通用性不强和时间步长不确定等问题。本文还讨论了转子电路方程的建立和电磁转矩计算等方面的问题。

轧辊温度场及轴向热凸度有限元计算

采用大型有限元分析软件 ANSYS对四辊轧机工作辊的温度场进行了模拟 ,在模拟过程中 ,考虑了轧辊和轧件间的瞬态热接触和对流边界 ,动态分析了热轧时工作辊的升温过程 ,预测了工作辊的瞬态温度分布 ,并将所得的温度分布用于热凸度的近似计算中 。

掘进工作面围岩散热的有限元计算

掘进工作面的围岩散热是至今尚未解决的一个重要问题。笔者根据掘进工作面围岩温度场的特点 ,分析了移动柱坐标下的导热微分方程 ,合理地确定了温度场边界、划分了单元格 ;推导了该特定导热微分方程的变分方程 ,阐述了有限元解算的原理 ;论述了由温度场解算结果计算围岩散热量的方法。由此原理和方法 ,编制了计算机程序 ,以一个简单的实例 。

发动机飞轮螺栓的三维有限元计算分析

结合大功率柴油机性能强化的数值计算,针对螺纹连接几何形状和载荷条件的复杂性,建立了装配实体模型;在考虑柔性曲轴附加转矩的情况下,采用接触分析法对发动机的飞轮螺栓进行了三维有限元计算;得出了螺栓工作状态下最危险点发生的位置,考核了螺栓的疲劳强度安全系数,分析结果表明,螺纹连接是一种弹塑性模型。提出了发动机性能强化后螺栓连接的三种优化设计方案。

覆冰情况下输电线路有限元计算及其结构优化

建立了塔-线耦合结构系统三维有限元力学计算模型。通过对覆冰输电线路耐张段位移及应力分布情况进行分析计算,提出了线路耐张段在一定风速与覆冰厚度条件下的临界失效曲线。经过多次计算并验证薄弱杆塔以及薄弱单元分布情况,得到了薄弱位置的分布特点和规律。以发生覆冰倒塔事故的实际线路为研究对象,并以力学分析计算结果为依据,提出了有针对性地更换杆塔最薄弱处钢材以及在耐张段内薄弱处增加一基杆塔的线路改进方案。通过结构优化前后线路耐张段薄弱单元应力比值以及临界失效曲线的对比分析,证明了所提出改进方案的正确性和有效性。

真空-堆载预压处理高速公路软基的有限元计算

根据高速公路路基的变形特点,提出了真空-堆载联合预压法处理软基的三维Biot固结有限元计算模型,将砂井按照实际尺寸划分单元,避免了平面计算方法中的砂井处理的问题,较以往的平面数值方法更接近实际情况。结合修正剑桥模型,对某真空-堆载联合预压试验段进行了计算、分析,结果令人满意。

面板堆石坝应力与变形弹塑性有限元计算与分析

用沈珠江建议的双屈服面模型对洪家渡面板堆石坝进行了三维有限元分析 .计算中考虑到堆石材料的非线性和模拟运行过程 ,采用了逐级增量与不平衡力修正迭代相结合的算法 ,经与中点增量法的结果对比 ,表明该算法是有效的 .通过对堆石坝体在施工和逐级蓄水加载过程中的应力和变形分析 ,探讨了坝体中某些特定单元在运行过程中的主应力轴旋转状态 .对于坝体中部单元 ,在填筑过程中 ,主应力轴的偏转程度多在 10°以内 ;蓄水加载时偏转程度增加约2 0 % .而对于坝体上下游单元 ,主应力轴偏转则更加明显 .对τ σ3 平面、q p平面内的一些坝体单元的应力路径比较表明 ,不论是施工还是蓄水加载 ,q p

风力机桨叶的三维建模与动力学特性有限元计算

以结构动力学基本方程为理论基础,将桨叶看成是根部完全固定的悬臂结构,建立了桨叶运动的物理模型和数学模型。以15 kW风力机桨叶为例,在AutoCAD软件中建立风力机桨叶实体模型,并应用国际通用的大型有限元分析软件ALGOR对桨叶在零转速下的振动模态和不同转速下的振动模态进行了计算与分析,分别算出其前5阶的固有频率和振型。对风力机桨叶的频率谱响应进行了分析,得到了激振力作用下叶片的振动位移与应力分布。

330kV线路复合绝缘子电位和电场分布的有限元计算

应用有限元法计算分析了330kV输电线路复合绝缘子干燥洁净状态下的电位和电场分布,讨论了杆塔和导线对绝缘子串的电位和电场分布的影响。计算结果表明,绝缘子串中靠近导线侧和高压侧10%的部分电场畸变严重,高压导线的存在使绝缘子电位分布相对均匀。杆塔对高压侧场强影响更显著,“有杆塔和导线”时高压侧最大场强相对“有杆塔无导线”时高压侧最大场强降低了60%左右。

卷积完全匹配层在两维声波有限元计算中的应用

将基于复坐标变换和复频移扩展坐标变量的卷积完全匹配层Convolution Perfectly Machted Layer(CPML)引入到两维声波方程的有限元(FEM)计算中,该匹配层作为一种吸收边界条件Absorbing Boundary Condition(ABC)应用在有限元计算的边界截断上。文中分别给出了频域和时域的CPML方程的表达形式,并在有限元计算软件COMSOL中完成数值计算。相对于经典的PML,CPML最大的优势在于它不需要把场分裂开,这使其具有更好的稳定性和更高的吸收性能,且更易于实现。数值计算结果表明,CPML边界层有着比PML更好的吸收效果,其更有效的吸收了进入其中的声场能量。

环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析

环锚预应力混凝土衬砌是一种新型的水工压力隧洞衬砌形式,进行有限元结构分析时的关键是如何模拟环形预应力筋的作用．为此,提出了一种基于ANSYS的等效荷载法,用法向等效应力和切向等效应力模拟非均匀分布的锚索预应力,通过SURF154单元将其施加于计算模型．文中对一个无黏结预应力混凝土衬砌全部锚索张拉锁定后的应力状态进行了三维有限元计算,计算结果与实测结果具有良好的一致性．该方法还适用于有黏结曲线预应力筋的预应力混凝土结构有限元计算．