考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型

针对机床数字化设计中典型结合面建模精度误差较大的问题,提出了一种采用虚拟材料等效结合面静力学特性的方法,建立了考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型,并完成了相应的静刚度测试实验。首先,综合考虑了弹塑性变形机制和摩擦力的影响,提出了一种新的结合面法向和切向刚度的分析模型;其次,根据不同类型结合面的特点,采用虚拟材料模拟结合面的刚度特性,建立了刚度特性与虚拟材料弹性模量和泊松比的关系,并将其应用于精密数控机床整机的静刚度分析;最后,开展了整机工艺系统的静刚度测试实验,得到了主轴末端X、Y、Z三个方向的刚度分别为26.60 N/μm、41.87 N/μm和40.17 N/μm,并将其与仿真数据进行了对比。研究结果表明:不考虑结合面影响的模型相对误差将近17%,而考虑结合面影响的模型相对误差在5%以内,验证了考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型的有效性;采用虚拟材料等效结合面静力学特性的方法可作为机床数字化设计的一种可行的方法。

基于ANSYS的振动筛机架有限元静力学强度及模态分析

TQLMz125型振动筛主要用于面粉厂清理小麦杂质,机架是振动筛的重要组成部件,主要起承载作用,其刚度、强度、稳定性对振动筛的可靠运转都有重要意义。为了验证机架结构设计的可靠性,运用ANSYS软件对机架进行有限元分析,分别得到机架的应力云图、应变云图以及固有频率。结果表明,机架最大应力为0.041 6 MPa,远小于机架材料的许用应力;机架一阶固有频率为21.866 Hz,远高于振动筛工作频率12.5 Hz,避免了机架与电机出现共振,以便为后期优化机架做依据。

液压马达式起吊梁有限元模型建立及力学分析

单轨吊机车是目前广泛应用于煤矿巷道内实现人员和物料高效运输的首选辅助运输装备。起吊梁是单轨吊机车实现人员和物料运输的重要结构件,其承载性能直接影响着单轨吊机车运载的安全性和稳定性。液压马达式起吊梁是一类重要的液压驱动式起吊梁,其具有竖向空间占用小、动力大、作业稳定等优点。选取16t液压马达式起吊梁为研究对象,综合考虑液压马达式起吊梁结构和承载特点,建立其有限元数值仿真模型,并针对其危险工况开展力学性能分析,校核其强度和刚度情况。仿真结果表明,在预设工况下,液压马达式起吊梁副梁受载荷的影响较大,除去应力集中部位,其最大等效应力值为200MPa,而主梁的最大应力值为72MPa。此外,副梁在载荷作用下,其位移变形亦高于主梁,其最大值为9.382mm,而主梁的最大位移值为1.2mm。最后,液压马达式起吊梁的整体安全系数大于1.5,除副梁载荷承载悬臂连接处,副梁整体安全系数大于3,主梁整体安全系数大于6,满足工程应用和设计要求。

基于有限元分析的连续油管寿命研究及预测模型

目前针对连续油管的寿命预测研究较少,但在实际的生产中连续油管的突然失效会造成极大安全隐患,急需解决方案。针对此问题,本文使用有限元仿真方法,针对三种规格的CT80连续油管在不同工况下进行有限元分析,得到了连续油管的受力、形变和疲劳寿命。用疲劳试验对有限元分析进行验证,证明了有限元分析的疲劳寿命的准确性。将连续油管的直径、壁厚、内压、弯曲半径参数转化为外壁应变和环向应力,通过数据拟合建立了关于外壁应变、环向应力和疲劳寿命之间的全经验公式,得到连续油管疲劳寿命预测模型。并用试验得出的结果与疲劳寿命预测模型进行比较,误差较小,可用于CT80连续油管的疲劳寿命预测,最后通过疲劳试验得到了连续油管在二级加载下的疲劳寿命模型,该模型可预测油管在第二级载荷下的剩余疲劳寿命。

不同力学条件下兔髌骨髌腱及腱止点的有限元建模及力学分析

背景:髌腱末端病中髌骨髌腱结合部是损伤的高发区域。兔髌骨髌腱损伤模型是常用动物实验研究对象,目前对损伤机制和造模方法的应力分析尚不全面。目的:在过往组织学和力学测量的基础上,对兔整个髌骨、髌骨髌腱结合区和股四髌腱止点结合区进行扫描建模,分析其应力变化特点,探讨不同运动形式对髌腱退行性变的潜在影响,为损伤预防以及动物模型建立提供理论依据。方法:以成年健康雌性新西兰大白兔左侧膝关节的髌骨和两端肌腱为实验对象,取材处理后经Micro-CT扫描,Mimics、Geomagic Studio、SolidWorks等软件建模,应用Ansys Workbench进行有限元分析。分析不同加载条件下(载荷大小和方向改变,不同动作模式)目标区域的等效位移、应力、应变情况。结果与结论:①载荷方向改变影响趋势和数值变化,载荷大小改变影响数值变化;②与其他区域相比,髌腱腱止点处应力集中较明显,应变值最低;③在髌腱腱止点处,外翻比内翻、内旋比外旋产生更大的应力集中;④提示膝关节屈伸运动中所产生的应力集中和应力屏蔽效应是导致髌腱腱止点损伤的主要原因;内旋和外翻状态的应力同时是导致损伤的潜在因素,有待进一步研究;以跳跃、跑动状态建立动物模型更加符合运动损伤特点。

胸椎T_(10)骨肿瘤转移不同位置生物力学特性的三维有限元分析

背景:随着检查技术的革新,不同分期脊柱转移瘤患者逐年增多,经皮椎体成形是脊柱转移瘤重要的治疗手段,但其治疗不同分期、不同活动方式肿瘤的术后生物力学疗效尚未见报道。目的:基于三维有限元模型模拟胸椎T_(10)骨肿瘤转移不同位置的应力及位移情况。方法:根据1例30岁健康男性胸椎三维CT扫描数据,采用Mimics软件构建胸椎(T_(9)-T_(11))的三维几何模型,包括肋骨、韧带及椎间盘。模拟被胸椎转移瘤侵袭的T_(9)-T_(11)椎体及其后胸椎不同部位的三维模型,包括椎体结构完整的对照组,单侧转移累及椎体区(实验组1),单侧转移累及椎体和椎弓根区(实验组2),单侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组3),双侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组4)。利用Abaqus软件创建三维有限元模型,对负重、屈曲、伸展、旋转工况下VonMises应力分布及模型的位移情况进行分析。结果与结论:①在对不同实验组加载点在负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移的研究中,随着转移瘤侵袭部位及侵袭面的增多,加载点的总位移在增大,整体刚度降低,尤其实验组4加载点的总位移最大;②在屈曲工况下椎体、椎弓根破坏后明显增加最大Von Mises应力值,而在此基础上增加胸肋关节破坏,其最大Von Mises应力值基本不变;③有限元分析并模拟骨肿瘤模型的基础上,将骨水泥区域的单元设置为一个单独的set集合,后将骨水泥区域设置为对应的材料属性以模拟骨水泥填充,结果发现,负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移均小于各实验组;④模拟经皮椎体成形治疗后患者在负重、屈曲、伸展、旋转工况下的最大应力值相较于骨肿瘤模型大幅度降低;⑤提示基于胸椎T_(9)-T_(11)的三维有限元模型构建有利于对胸椎骨肿瘤转移生物力学特性的研究,并能够在胸椎骨肿瘤转移模型的基础上准确模拟经皮椎体成形后加载点在不同工况下的总位移及最大VonMises应力情况。

基于CiteSpace的腰椎黄韧带有限元模型国内研究的可视化分析

目的基于Cite Space探讨腰椎黄韧带有限元模型研究的热点与趋势。方法检索1990年1月至2023年8月中国知网、维普网、万方数据知识服务平台3大数据库中,腰椎黄韧带有限元模型的相关中文文献;运用Cite Space 5.7.R5软件生成作者、机构合作、关键词等图谱。结果共纳入文献1395篇,发文量总体呈增长趋势;核心作者丁宇发文最多;发文量最多机构为上海大学期刊社;关键词中“生物力学”出现频次最高;生成了“生物力学”等9个聚类;时间线路图中,最大的节点为“姿势性脊柱后凸”;突现图中“活动度”的研究持续至今。结论腰椎黄韧带有限元模型领域的研究总体增加,主要热点是“生物力学”,“脊柱”将是未来有限元领域的研究重点。

有限元分析技术在膝关节生物力学应用中的特点与优势

背景:有限元分析是一种先进的计算机工程技术,利用数学近似的方法对真实人体进行模拟,可以真实反映膝关节结构内部的生物力学特征,为理解膝关节疾病发病机制、优化手术方案以及开发新型植入材料提供了有效的工具。目的:对膝关节有限元模型的建立及其在膝关节疾病研究中的应用进行综述,并展望了未来的发展趋势。方法:第一作者于2024年4月以“Finite Element Analysis,FEA,knee joint,Finite Element Model,Knee Biomechanics,Knee Osteoarthritis,Knee Prosthesis,Knee Ligaments,Meniscus”为英文检索词在PubMed和EI数据库进行检索,以“有限元分析,有限元模型,膝关节,生物力学,骨关节炎,计算模型,膝关节假体,膝关节韧带,半月板”为中文检索词在中国知网和万方数据库进行检索,最终纳入75篇文献进行分析。结果与结论:①有限元分析法利用医学影像数据获得三维人体模型,将复杂的人体关节结构简化为有限且相互连接的单元,通过对模型施加外部载荷,直观地显示膝关节内部的应力分布。②研究者通过有限元分析深入研究膝关节在不同工况下的内部应力和应变分布,可发现膝关节内部载荷分配平衡改变时,关节软骨的过度载荷及部分区域的负荷下降,这种长期异常应力会引起软骨变形和磨损,最终缺失,对于理解生物力学因素如何引起膝关节退行性变至关重要。③有研究通过有限元分析评估膝骨关节炎患者采用太极拳、步态调整等物理治疗方法的效果,结果显示这些治疗方法减少了软骨的过度负荷,为临床治疗提供了科学理论依据。④临床医生通过有限元分析在手术前进行三维重建、数据测量和模拟手术,能够优化手术治疗策略;此外,还可以通过模拟不同假体的力学特征,改进假体的形状、材料和固定方式,减少患者的并发症,提高患者的治疗效果。⑤人工智能与有限元分析相结合使得有限元模型的构建更为精确和易于操作,极大提高了临床医生医疗实践的效率和患者的治疗效果。⑥有限元分析仅是数字化的模拟,与真实物理状态仍存在一定差异。

拇外翻足有限元模型构建及其第1跖趾关节生物力学分析

背景:有限元模型构建及生物力学分析使探究拇外翻足的形成及相关结构功能恢复成为可能。目的:建立负重中立位中度拇外翻足有限元模型,分析不同部位及大小的外力作用下第1跖趾关节角度的变化与对应骨骼应力分布情况。方法:选取1名女性中度拇外翻志愿者,采集CT影像数据,利用计算机三维成像技术进行三维有限元建模,验证模型有效性,标准化第1跖趾关节角与第1-2跖间夹角的测量方法,控制变量,依次改变作用力大小来观察上述两角度的变化,分析第1跖骨、近节趾骨的应力分布情况。结果与结论:(1)建立了有效的中度拇外翻足有限元模型,并显示较大的应力集中现象出现在第1跖骨,分布趋势为由骨体内侧中部及外侧中部,逐渐向骨体背侧底侧减小;(2)验证了所采用的第1跖骨、第2跖骨和拇趾近节趾骨轴线参考点的确定方法在有限元分析中的可实施性;(3)作用在第1拇趾远节趾骨外侧中部区域水平力对第1跖趾关节角的改变有直接影响,但并非线性影响;作用于足跖趾关节内侧囊处区域力主要影响第1-2跖骨间角大小;作用在跖骨近端内侧面水平力对两角度的影响都不大。

基于肌骨动力学与有限元耦合模型的脊柱生物力学研究应用进展

由于现代生活方式的改变与人口老龄化,近年来脊柱疾病发病率急剧升高。生物力学研究是评估脊柱相关疾病的重要内容,通过建模仿真的方法探究脊柱生物力学一直是重要的手段之一。目前,结合肌骨模型与有限元的方法成为脊柱生物力学的研究热点,因此,本研究对国内外使用肌骨模型与有限元相结合的方法探究脊柱生物力学特征的文章进行调研,系统阐述了该方法在脊柱相关疾病方面的临床应用进展,总结基于这种方法的建模方式,包括加载方法、杨氏模量、泊松比等参数设置,以及使用该方法在脊柱相关疾病上的评估应用。结果表明:基于肌骨动力学与有限元的方法,对探究人体在体运动时脊柱组织层面的应力应变、椎间盘内压力(intervertebral disc pressure, IDP)等情况,提供了一种多尺度评估方法,但该种方法目前存在模型构建时间长、研究动作单一、需要验证模型有效性不足等问题,是未来脊柱生物力学领域研究需要研究的方向。

关于ZT6500型煤矿液压支架三维结构模型有限元分析

液压支架是煤矿生产的重要设备,其设计和制造水平直接影响煤矿的安全生产和经济效益。以ZT6500/19.5/34液压支架为研究对象,利用三维建模软件SolidWorks建立了简化液压支架样机及其1∶5模型的三维实体模型,在ANSYS软件中导入三维实体模型,利用ANSYS软件对该型液压支架样机及其1∶5模型进行了基础扭转工况下的强度试验。找到了该型简化液压支架样机及其1∶5模型相应的总位移分布规律和等效应力分布规律,确定了该型简化液压支架样机与其1∶5模型的总位移和等效应力的比例关系。

一种基于敏感性分析的有限元模型优化方法

有限元计算是机械结构分析的重要手段,尤其在机械结构的振动分析方面具有明显优势。然而,有限元计算结果与振动测试结果之间仍存在误差,敏感性分析方法可以通过更新与优化有限元模型减少计算误差。通过对某实际飞机翼箱的实验,采用敏感性分析法进行了有限元模型优化。优化结果表明,采用敏感性分析方法对模型进行更新可显著减小有限元计算的误差。

橡胶缓冲器有限元分析及车辆动力学研究

为了研究橡胶缓冲器特性,从缓冲器中的橡胶取样进行了相关力学试验,确定了橡胶材料本构模型Mooney-Rivlin模型的相关参数。将相关参数代入到建立的橡胶缓冲器有限元模型中,将分析计算结果与试验验证进行了对比分析,验证了建立的有限元模型的准确性。将模型代入到多体动力学软件中进行了计算,并与组装好的橡胶缓冲器的动车组动力学进行了研究对比,发现在动车组纵向动力学过程中,各车辆仿真与试验的最大载荷和位移趋势较为接近,橡胶缓冲器能够较好地吸收冲击能量,满足使用要求。

有限元方法在脑震荡领域的热点:脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进

背景:由身体接触性运动或交通事故造成的脑震荡远比人们想象的更为严重与常见,近年来引起了媒体、医学界及体育界的广泛关注与高度重视。目的:采用文献计量学方法对有限元方法在脑震荡领域的研究热点与趋势进行可视化分析,从而为中国在该领域的研究提供一定的参考。方法:基于Web of Science核心集数据库进行文献检索,检索主题词策略为(TS=(Concussion)) AND TS=(Finite element),利用CiteSpace 6.2.R4可视化工具对纳入文献的作者、国家、机构、关键词及被引文献等进行可视化分析。结果与结论:(1)共计纳入215篇文献,发文量与被引量总体上呈上升趋势;学科分布涉及生物医学工程、生物物理学、运动科学、临床神经学及神经科学等学科,呈现多学科交叉融合的趋势;发文量最多的作者是来自爱尔兰都柏林大学的Gilchrist M,发文量最多的机构是渥太华大学,发文量最多的国家是美国。(2)通过关键词分析发现研究的热点聚焦于脑损伤模型的建立用来模拟和预测脑震荡的损伤;脑震荡损伤机制的解析;防护设备和装置的优化设计。(3)通过文献共被引分析发现脑损伤的预测与评估是该领域的知识基础亦是研究热点。(4)有限元方法运用在脑震荡领域的研究热点主要围绕头部损伤预测为主题展开,结合探索大脑损伤机制以及防护装备的设计与改进。(5)随着人工智能与材料学的进步,未来有限元方法在脑震荡损伤领域的研究热点将集中于脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进。

纤维包自动除带及拆袋机抱夹装置静力学仿真分析

为降低工人劳动强度,实现面向直行往复式自动抓棉机的纤维包自动化搬运与排放,在所设计的基于自动导向车(AGV)的抱夹车结构基础上,使用ANSYS Workbench对抱夹车的抱夹装置、抱夹支撑装置及其整体进行了静力学仿真分析,得到了各主要机构的最大应力所在位置和最大应力的数值,以及装置在约束下的最大变形量。经分析,抱夹爪最大应力发生在夹爪根部,为57.26 MPa,结构优化后的抱夹爪驱动机构最大应力为217.26 MPa,抱夹车最大变形量为3.0269 mm,最大应力发生在下支撑架上与上部滚轮接触的位置,为108.28 MPa,均满足材料强度要求。该研究验证了抱夹装置结构的强度与刚度,对不符合工作要求的薄弱构件进行了改进设计,确保了装置在实际工况下工作的可靠性与稳定性。

热风黏合烘箱有限元仿真分析与结构优化

为研究和提升热风黏合烘箱内部流场和温度场的均匀性,采用有限元分析方法对烘箱内部流场进行了仿真分析与优化。使用SolidWorks建立了烘箱流体域三维模型,根据烘箱工作时条件设定仿真计算的边界条件,通过实验测量得到纤维网的流阻数值,设定流阻相同的多孔介质模型代替纤维网实际结构,利用Fluent软件对烘箱内部流体域模型进行仿真计算,通过实验验证了仿真建模及计算的正确性。仿真结果表明:现有结构的烘箱上风道内流场不匀,纤维网表面温度场均匀性较差,针对仿真结果反映出的问题对烘箱结构进行了优化;优化后的烘箱仿真结果显示烘箱内部流场均匀性提升,纤维网上表面温度的总体均匀度由86.43%提升到93.06%。对烘箱进行结构优化后不仅提升了烘箱内部整体流场和温度场的均匀性,同时有利于降低烘箱的能耗。

基于有限元分析的液压缸密封圈磨损分析

液压缸密封圈磨损原因较多,难以通过肉眼直观观察,很难找到直接原因,提出基于有限元的液压缸密封圈磨损量分析方法。基于液压缸密封圈几何模型、材料模型和物理模型,分析了橡胶密封圈在应力和应变上的非线性,通过定义应变密度函数,构建了液压缸密封圈的有限元模型。根据液压缸活塞的密封结构,分析了液压缸活塞的运动特点,利用Archard模型描述密封圈的外观特征变化,通过计算密封圈接触面上任意一点的磨损深度,分析液压缸密封圈的磨损量。试验结果表明,所研究方法可以对液压缸密封圈的裂纹深度与裂纹扩展角度进行有效分析,两项指标的试验分析与实测结果基本一致,裂纹深度的试验分析误差最大值仅为0.002 mm。方法有助于提高液压缸设计的密封可靠性。

强夯起重机臂架结构有限元分析及优化

针对强夯起重机臂架实际工况下的应力集中、结构冗余等问题,以某新型强夯起重机为分析对象,采用UG NX及其Nastran模块建立三维模型,有限元分析计算确定多种工况载荷,得到强夯起重机在静载和动载荷作用下的位移和应力分布情况,确定应力集中和结构冗余部位,通过优化设计改善结构应力分布,减轻臂架质量并提高其力学性能。对起重和脱钩工况的优化结果表明,臂架最大应力和最大位移分别减少12.5%和6.99%,臂架质量减轻2.36%。

基于有限元模型的裂纹故障齿轮系统动力学响应分析

为更好地揭示齿根裂纹故障对齿轮系统动力学特性的影响,开展了“故障机制分析—齿轮系统建模—裂纹故障试验”的全过程研究。首先,考虑更为真实的齿根过渡曲线和有效齿厚削减限制线,建立了更严格的裂纹轮齿模型,对传统势能法求解啮合刚度进行改进,研究了6种不同深度裂纹的刚度变化;其次,针对传统集中参数模型的不足之处,基于Timoshenko梁单元理论建立了齿轮-转子系统有限元动力学模型;最后,采用Newmark-β法求解正常/不同深度裂纹故障的齿轮系统的动力学响应,考虑转速的影响,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,齿根存在裂纹时,加速度响应存在周期性冲击特征,频域中的边频带现象出现在啮合频率及其谐波附近;冲击成分在时域和频域中的强度与裂纹深度、转速均成正相关关系。仿真结果和实测信号表现出一致特征,验证了该方法的正确性。

建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。