个性化GYROID结构髁突假体:设计及有限元分析

背景:目前国内外制作的颞下颌关节假体在置换过程中需要依靠螺钉固定假体中的髁突部分,通过预留固位孔方便术中进行操作,但由于缺少个性化的颌骨设计,可能存在固位板与颌骨不贴合导致螺钉松动、脱位。因此,个性化髁突假体置换在修复颞下颌关节中具有重要的应用价值。目的:设计一种内部为GYROID结构的个性化髁突假体,用于下颌骨髁突的修复重建。方法:在Rhinoceros 7软件中选择GYROID结构,单胞为6 mm,设置壁厚分别为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,利用有限元分析GYROID结构的力学性能。3D打印不同壁厚(0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm)的GYROID结构实验试件,通过室温压缩实验检测试件的力学性能。通过有限元分析与室温压缩实验结果筛选符合下颌骨力学性能范围的一个壁厚值,对1名成年男性下颌骨CT数据进行逆向建模,设计内部为GYROID结构的髁突假体,采用有限元分析模拟髁突假体置换后牙尖交错颌位与对刃颌位的运动。结果与结论:(1)有限元分析与室温压缩实验结果显示,随着壁厚的增大,GYROID结构的弹性模量增大,其中壁厚0.5-0.7 mm GYROID结构的弹性模量位于下颌骨的弹性模量(1.5-4.0 GPa)范围内,因此选取壁厚值0.6 mm的6 mm单胞GYROID结构模型进行髁突假体的设计;(2)有限元分析结果显示,下颌骨模型的应力分布呈左右对称,两种咬合时的应力分布大致相同,应力峰值无较大差距,应力集中于髁突假体颈部,置换侧受力较健侧略大;内固定模型整体的最大等效应力为269.34 MPa,螺钉的最大等效应力为20.14 MPa,牙尖交错颌位时假体的等效应力和等效应变值均大于对刃颌位时,牙尖交错颌位时螺钉的等效应力和等效应变值均小于对刃颌位时;(3)结果显示个性化GYROID结构髁突假体的设计与固位效果良好,符合下颌骨力学传导。

个性化Gyroid结构髁突假体设计及对关节盘的有限元分析

背景:人工髁突假体置换作为治疗颞下颌关节疾病的手术方式之一,不仅要恢复形态和功能,还要保证长期稳定的应用。目的:设计个性化Gyroid结构髁突假体并进行有限元分析。方法:通过软件设计不同壁厚(250,350,450,550,650,750μm)的Gyroid结构试件,分别进行有限元模拟压缩实验,检测试件的弹性模量,筛选出与下颌骨松质骨弹性模量相匹配且孔径满足成骨条件的Gyroid结构壁厚区间,对此区间进行细分并利用3D打印技术制作Gyroid结构试件,进行万能试验机力学压缩实验,通过弹性模量与抗压强度筛选符合下颌骨力学性能、孔径更易成骨且强度较小的Gyroid结构壁厚,进行后续实验。设计下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型,分别模拟模型在自然咬合状态下对刃颌位、牙尖交错位的有限元分析。结果与结论:①有限元分析结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构试件的弹性模量升高,其中壁厚350,450,550,650,750μm Gyroid结构试件的弹性模量与下颌骨松质骨弹性模量相匹配,由于后续实验需细分组别且550,650,750μm壁厚组孔径(800-1000μm)在成骨范围内,故筛选出壁厚550,600,650,700,750μm Gyroid结构试件进行万能试验机力学压缩实验;②力学压缩实验结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构试件的弹性模量与抗压强度升高,其中壁厚550,600,650μm Gyroid结构试件的弹性模量在下颌骨松质骨弹性模量范围内,最终选取壁厚650μm、孔径900μm进行下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型构建;③下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型有限元分析结果显示,对刃颌位关节盘应力主要集中在前中带下表面,牙尖交错位关节盘应力主要集中在下表面外侧,左右侧关节盘在对刃颌位、牙尖交错位的最大位移和等效应力相近,最大位移分别为0.031,0.030,0.028,0.018 mm,最大等效应力分别为2.87,2.30,2.73,1.71 MPa;④结果表明,壁厚650μm Gyroid结构符合下颌骨力学性能,降低了钛合金强度、减轻了个性化Gyroid结构髁突假体对关节盘的损伤。

模块化气动软体爬行机器人的设计与分析

【目的】模块化软体机器人具备高柔韧性与理论上的无限自由度,可以适应各种复杂的环境和任务需求。为此,设计了一种仿蜂巢软体驱动单元,将多个该单元连接组成可以实现不同功能的模块化驱动软体机器人。【方法】对设计的仿蜂巢软体驱动单元进行了材料选择与力学分析,建立了软体驱动单元内部驱动气压与变形量之间的非线性关系模型,并采用有限元仿真验证了该模型的有效性;基于仿蜂巢软体驱动单元模块,设计了伸缩型软体机器人和双向弯曲型软体机器人,并对两种构型的软体机器人进行有限元仿真;最后,进行了软体机器人的制作以及模块化驱动软体机器人的试验研究。【结果】仿真结果表明,双向弯曲型软体机器人比相同长度的伸缩型软体机器人在伸缩变形范围上更大,其承载能力较伸缩型软体机器人也更好。试验结果表明,双向弯曲型软体机器人可以实现仿蠕虫的直线爬行与转向运动。并且两种构型的软体机器人试验结果与仿真结果基本保持一致。

多关节仿生机械手结构设计与仿真分析

介绍了一种仿人手指驱动器组成的三指软体机械手爪。根据手指的结构,设计的仿人手指驱动器由3个弯曲关节及4个软体指节组成,通过关节腔室变形弯曲协助手爪进行抓握,指节处用实体硅胶,每个关节通过单独的腔道分开控制,驱动方式为气压驱动,安全稳定。使用Solidworks设计仿人手指驱动器,将其导入ABAQUS对仿人手指驱动器进行有限元仿真,分析确定驱动器的关节处的结构参数。将仿真结果与传统连续式软体驱动器的仿真结果进行对比,仿人手指驱动器更具优势。

一种去毛刺整形工装的设计及受力分析

为了稳定、高效、低成本的去毛刺,文章设计了一款去毛刺整形工装,以此来解决粉末冶金底阀体在生产过程中出现的毛刺问题。文章首先分析毛刺产生的原因,主要有模具间配合间隙处的填充效应,然后根据工装的结构设计原理、工作过程,以及受力情况等对工装进行设计。该工装能够有效去除底阀体爪部外侧边缘及爪部凹槽外侧边缘毛刺,提高产品最终质量,适用于批量生产,具有重要的实际应用价值。

柔性变形翼结构设计、建模与分析研究进展

未来飞行器设计将面临空域、速域不断扩大、任务适应性要求不断提高的严峻挑战,变体飞行器可为提高飞行性能、扩大飞行包线提供新思路与新方法。采用柔性蒙皮配合相应的支撑结构成为克服传统变体飞行器缺点的主要解决方案。本文首先综述了柔性蒙皮、蜂窝支撑结构、新型智能材料在变体飞行器设计中的研究现状,然后对现有文献中柔性变形翼结构设计、建模与分析方法进行讨论。最后提出现有柔性变形翼结构设计、建模与分析方法存在的问题,以及未来可能的研究方向。

某分离螺母壳体裂纹产生原因分析及结构改进

针对某分离螺母发火后壳体上端面产生裂纹的问题,对分离螺母的作用过程进行了仿真,分析了裂纹产生原因,提出了改进措施,并对其有效性进行了验证。结果表明:由于解锁过程中,分瓣螺母轴线与产品轴线的相对位置发生偏移,并且内筒活塞也发生偏转,造成结构间冲击载荷传递不均匀,从而导致壳体上端面锥台根部局部位置受冲击过大而出现裂纹。通过增大内筒活塞对分瓣螺母的接触长度和径向约束,能够改善壳体上端面锥台根部受力不均的问题,从而减少裂纹产生。

基于Hoek-Brown强度准则的地下洞室开挖可靠度分析

地下洞室可靠度分析在地下空间开发工程中具有重要意义。采用拉丁超立方抽样法对工程实测获得的结构面特征指标进行抽样,将样本数据代入地质强度指标GSI评价体系中获得GSI概率分布函数,然后基于Hoek-Brown经验强度准则计算获得围岩力学参数的概率分布函数,进而利用数值模拟获得地下洞室变形量的概率分布函数,并结合洞室开挖的最大允许位移将求解可靠度指标转化为求解超过最大允许位移的概率。以五岳抽水蓄能电站为例,计算了主厂房不同部位的位移超过最大允许位移的概率,对主厂房的稳定性进行了评价。评价结果与工程实际情况基本相符,说明本文提出的方法可有效用于地下工程的开挖可靠度分析.

多发性硬化和视神经脊髓炎的脑灰质结构分析

目的利用基于体素的形态学测量(VBM)和基于皮层的脑形态学测量(SBM)方法对多发性硬化(MS)和视神经脊髓炎(NMO)患者脑灰质体积及皮层厚度进行比较分析,探讨这两种疾病的脑灰质结构变化的差异。方法对21例MS患者,16例NMO患者以及19例健康对照者行磁共振常规序列扫描,基于Matlab2014a平台的统计参数工具SPM12以及SPM12下的小工具CAT12,对VBM和SBM方法处理的数据进行分析。结果MS组与正常对照(NC)组相比,经高斯随机场(GRF)校正后,MS组在左侧枕上回、左侧楔叶、左侧距状皮质、左侧楔前叶、左侧中央后回、左侧中央旁小叶、右侧楔叶、左侧额中回、左侧额上回和左侧额内侧回灰质体积显著性减少(P<0.05);经族系错误(FWE)法校正后,MS组在左侧中央旁小叶、左侧额上回和左侧楔前叶皮层厚度显著性减少(P<0.05)。NMO组与NC组相比,经GRF校正后,NMO组在左侧中央后回、左侧中央前回、左侧顶下小叶、右侧中央前回和右侧额中回灰质体积显著性增加(P<0.05);NMO组在左侧枕中回、左侧枕上回、左侧颞下回、右侧枕中回、左侧额上回眶部、右侧中扣带回、左侧前扣带回、右侧角回和左侧楔前叶灰质体积显著性减少(P<0.05);经FWE校正后,NMO组与NC组相比皮层厚度没有显著性差异的脑区。MS组与NMO组相比,经GRF校正后,MS组在右侧梭状回和右侧额中回灰质体积显著性增加(P<0.05);MS组在左侧丘脑、左侧苍白球、左侧中央前回、左侧额中回、左侧颞中回、右侧苍白球、左侧顶下小叶和右侧顶上小叶灰质体积显著性减少(P<0.05);经FWE校正后,MS组在左侧顶下小叶、左侧顶上小叶、左侧缘上回、左侧中央旁小叶、左侧额上回和左侧楔前叶皮层厚度显著性减少(P<0.05)。结论MS患者脑灰质结构萎缩主要累及左侧顶叶区域,NMO患者对于脑灰质结构的改变不敏感。MS患者与NMO患者差异显著性的脑区主要位于脑深部灰质相关核团。

FH28-105型环形防喷器壳体力学性能分析与结构优化

以FH28-105型环形防喷器壳体为研究对象,结合其不同工况下的不同载荷特点,采用理论计算与有限元方法相结合,得到了壳体在静水试验压力和额定工作压力下的力学行为特性和应力情况,获得其危险部位,并对其进行强度设计评价。通过多目标优化,以减重为目标,同时兼顾壳体的强度以及校核标准,对环形防喷器壳体的结构尺寸进行优化。结果表明:初步设计的环形防喷器壳体强度满足要求,危险部位出现在壳体卡爪槽的圆弧倒角位置处以及壳体内腔下方的倒角过度处;环形防喷器最终优化方案满足强度要求,相比于原结构尺寸,质量和塑性应变的优化幅度最大,分别为19.7%、15.6%,其他目标均获得了不同程度的下降,实现了在保证壳体强度标准的条件下对壳体进行减重优化。

基于极限平衡法和强度折减法的危岩稳定性分析

为了分析评价陡倾结构面相互组合切割形成的危岩体的稳定性,本文以龙寺CIV-1边坡危岩体为例,根据地质调查数据,建立了危岩体的简化地质模型、失稳概化理论模型以及在冻胀、地震、水力等因素影响下的力学分析模型,利用极限平衡理论推导出了危岩体的滑移稳定性系数和倾覆稳定性系数的无量纲表达式,重点分析了不同工况下危岩体的稳定性,并借助UDEC强度折减法对危岩体的形成、破坏机理进行分析研究。结果表明:不同工况下的危岩稳定性为天然工况>地震工况>暴雨工况>组合工况;层面与陡倾结构面的组合关系以及陡倾结构面的贯通程度直接控制着危岩体的稳定性和破坏模式。通过极限平衡法和UDEC强度折减法相结合的危岩体稳定性评价方法,不仅可以通过简单的数学公式高效地获取危岩体的稳定性,还可以通过力与变形的信息,直观的辨别出危岩体易失稳的部位,为陡倾结构面切割形成的危岩提供防治参考。

隔爆壳体结构分析与优化

基于DXJL320壳体的3种结构分析,进行静力学仿真。分析对比仿真结果,选择力学性能最优的壳体结构。通过调整间距和配置面,确定加强肋配置方法,对壳体进行优化。确定最终优化方案,并为类似隔爆壳体结构设计提供了参考。

双向水平地震作用下扭转体建筑结构抗震性能分析

为了研究扭转钢框架-竖直核心筒所组成的扭转体结构在双向水平地震作用下的抗震性能,利用ETABS建立了20层的不同扭转角度模型。在分析扭转体结构自振特性的基础上,利用弹性时程分析法,对比研究了非扭转体和扭转体结构在双向水平地震作用下的反应。结果表明:在双向水平地震作用下,与传统的非扭转体结构相比,扭转体结构的基底剪力较大,且增幅随着扭转角度的增加而增大;扭转体结构的各层角柱轴力分配不均匀,且随着扭转角度增加不均匀程度变大;结构扭转改变了角柱X向与Y向的剪力大小,可使结构抗侧刚度大的方向承受更大的剪力,且受扭转角度的影响较小;扭转体结构外框梁的跨中最大弯矩均大于非扭转体结构,随着楼层增加和结构扭转角度增大外框梁弯矩增大,结构扭转对外框梁产生不利影响;扭转体结构核心筒的内力均大于非扭转体结构,且随着扭转角度的增加而增大;扭转体结构受竖向荷载时,核心筒受较大的扭矩作用,但在水平地震作用下外框架的扭转对核心筒扭矩的影响较小。

地埋式一体化预制泵站筒体结构强度的数值分析

为了明确大筒径的地埋式一体化预制泵站的筒体强度变化规律,采用数值模拟方法对地埋式一体化预制泵站的筒体进行了数值计算,分析了不同水位、不同材料及不同壁厚时筒体的应力应变。结果表明:不同水位工况时筒体的最大应力均位于筒体与底部交接处,且水位越低,筒体最大应力越大,最大应变也越大。相同工况时,筒体最大变形位移均随着筒体壁厚的增大而减小。相同壁厚时,随着筒体内水位的增加而筒体最大变形位移逐渐减小。相同壁厚时筒体材料建议采用玻璃钢。

国外某工程坝基岩体力学参数不同获取方法的差异分析

在水电工程勘察中,坝基岩体/结构面抗剪参数是设计专业计算坝基稳定性所必不可少的。该文以国外某水电站为例,通过对复杂地质条件下坝基岩体分类、力学参数提取等方面与国外公司进行对比,深化水电工程坝基岩体抗剪/断强度参数提取认识,了解国外某些公司在这方面的工作思路,有利于拓展视野,更好地为工程服务。

远东燃料动力综合体产业结构偏离度的空间分析

俄罗斯东向能源政策对远东燃料动力综合体产业投资产生冲击效应,燃料动力综合体为增加向亚太地区国家的燃料动力资源出口实施了一系列投资项目。2012—2019年,远东燃料动力资源的产业结构出现偏离度。相关计算采用产业指数增长率结构分解法(偏离—比重分析法)的传统模型和空间模型。从国家、宏观区域(区域间)、地区等不同空间层面,对远东燃料动力综合体年均就业人数和总增加值增长率进行结构分解,并得出以下结论:在俄罗斯东向能源政策框架下燃料动力综合体采掘业的发展获得强大推动力,其竞争力分量为正值,弥补了导致全俄经济失稳的负面冲击影响;影响燃料动力综合体采掘业经济发展态势的重要因素在于区域间竞争成败,而非空间外部性;区别于煤炭产业,油气产业具备形成空间外部性的潜力;采掘业的发展领先于其他产业,仍是地区经济飞地。原文发表于俄罗斯《空间经济》杂志2022年第4期((1)),经作者同意以中文刊发于《西伯利亚研究》。

某型飞机减速器壳体耳片断裂分析及改进

针对某型飞机减速器壳体在静强度加载试验中出现了耳片根部断裂的现象,借助ANSYS Workbench有限元仿真分析软件,对壳体有限元分析模型的建立、施加边界条件和静强度仿真分析等工作。优化减速器耳片结构之后,重新进行有限元分析,最大应力数值低于材料的许用应力,满足安全使用要求。后续试验过程中未出现壳体耳片断裂问题,改进效果显著。结果表明,减速器壳体耳片断裂问题的主要原因,是耳片根部最大应力数值超出材料的许用应力所致。

8×4轻量化城市渣土车上装结构分析与优化

以8×4轻量化城市渣土车上装为研究对象,分别在举升、转弯和扭转等典型工况下,利用有限元分析方法对其进行结构刚强度校核分析。结果表明,在满载50 t时,厢体在多种工况下整体变形较大且存在部分高应力区域,有胀厢失效和屈服失效风险;底架在举升工况下,前端区域最大等效应力超过了许用应力,结构强度无法满足设计要求。结合分析结果,通过改进结构和调整尺寸分别对厢体和底架进行了优化,厢体变形由最大52.2 mm降为14.8 mm,厢体与底架最大应力总体上也在许用应力范围内,优化后的渣土车上装达到了相应刚强度要求。

风电预制装配式混凝土塔架结构分析

为了满足低风速区域的风能开发需求,采用了一种装配式钢-混凝土混合塔架结构,包含下部混凝土塔架和上部钢塔架两部分,其中混凝土塔架由若干个筒节组成,各个筒节之间采用干连接,并通过体外预应力钢绞线将其连成整体。进一步运用ABAQUS软件建立了混凝土塔架的有限元模型,并开展了极限荷载作用下的精细化分析。结果表明,在极限荷载作用下,各混凝土筒节之间大部分区域未发生分离,混凝土塔架能够保持整体稳定;混凝土塔架的刚度较传统的钢塔架有了很大提高;混凝土的最大主压应力小于其抗压强度;钢筋应力远小于其屈服强度;钢绞线的最大应力小于其抗拉强度设计值,各钢绞线的应力在受荷前后变化小,基本等于其有效预应力。

掘进过程中支护结构对煤岩体稳定性的影响分析

在煤矿开采中,掘进工作面的安全稳定是矿山安全生产的关键。本文通过定量分析掘进过程中支护结构的稳定性和其对煤岩体稳定性的影响,探讨了不同支护结构参数对煤岩体稳定性的影响机制。使用有限元方法模拟煤岩体的应力分布及其在不同支护条件下的变化情况,进一步分析了支护结构对提高煤岩体稳定性的效果。研究结果表明,优化支护结构设计是提高煤岩体稳定性、防止地压异常的有效手段。