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。

Anybody仿真太极不同步法时股骨及下肢骨主要关节的应力特征

背景:Anybody骨肌建模系统,使用数学建模技术模拟人体骨骼、肌肉和环境的关系,可对人体的逆向动力学进行研究,得出下肢关节力等指标。目的:分析练习太极拳动作时下肢骨主要关节的应力分布规律,为其科学训练和锻炼价值提供依据。方法:在北京体育大学武术学院选取8名太极拳健将级运动员进行7组步法动作和右腿股骨CT的数据采集。使用BTS红外捕捉系统、Kistler三维测力台采集太极(八法五步)7组步法动作的运动和力学数据,利用Anybody 7.2骨肌模型的多体动力学仿真技术计算下肢关节动力学参数,结合Workbench 19.2对股骨进行应力计算分析。结果与结论:①利用Workbench软件分析得出了7组步法动作的股骨应力结果,7组动作的应力峰值由大至小顺序是:退步捋势(22.00 MPa)、退步採势(19.379 MPa)、左右移步挤按(9.35 MPa)、左右移步肘靠(6.30 MPa)、进步掤势(4.68 MPa)、进步挒势(2.57 MPa)、中定独立势(0.31 MPa)。②在7组步法动作中2种向后退步动作股骨应力最大(P<0.05),且在7组动作运动过程中的股骨最大应力位置均不同。③上述结果证实,在太极(八法五步)7种步法动作练习时,股骨应力阈值和最大应力位置会随着5种方向(7组动作)运动不同而变化,通过连续训练能够全面地刺激股骨体,进步动作对于股骨体正面和外侧上端影响较大,退步动作对股骨体后面和内侧影响较大,左右横向步法动作主要是股骨体两侧对称受力。④初学者要根据不同步法动作的受力特点来进行针对训练,进步动作和退步动作训练时要注重太极拳的旋转用力以及左右横移步法动作训练时的内侧对抗用力,根据自身薄弱问题,对太极拳训练步法有所侧重,进而达到更好的锻炼效果。

联合多意图识别与语义槽填充的双向交互模型

意图识别与语义槽填充是口语理解的两个主要任务,两者具有高度相关性,通常进行联合训练。随着口语理解任务的深入,研究发现用户在现实场景中的话语往往含有多个意图。但部分联合模型只能识别用户话语中的单个意图,未能充分建模多个意图和语义槽之间的关联性。考虑到话语中多个意图的信息可以引导语义槽填充,语义槽信息也可以帮助意图更好的识别,模型采用图注意力网络建立意图和语义槽之间的双向交互。具体的,将两个任务双向关联以便模型能够挖掘多个意图与语义槽之间的关系,同时引入两个任务的标签信息使模型能够学习到话语上下文和标签的关系,从而提高意图识别与语义槽填充的准确率,优化口语理解的整体性能。实验表明,模型在MixATIS和MixSNIPS两个多意图数据集上对比其他模型性能得到了显著提升。

考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解

为反映外荷载下盾构隧道相邻环间张开和错台,提出考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解答。首先,引入纵向梁-弹簧模型模拟盾构隧道纵向受力变形,其中采用Timoshenko短梁考虑隧道环段变形,引入转动和剪切弹簧分别模拟环间接头转动与错台。其次,构建弹性地基上纵向梁-弹簧模型的有限差分方程,以解决环间接头-管环非连续变形求解问题,并推导外荷载下既有盾构隧道的纵向变形公式。最后,建立新建隧道上穿和下穿引起既有盾构隧道的纵向变形解答,并与新建隧道上、下穿越工程案例及现有理论方法对比验证。研究结果表明:所提方法预测的隧道位移与Timoshenko连续梁模型,协同变形模型和实测数据均具有较好的一致性,但所提方法得到的环间错台略低于Timoshenko梁模型和协同变形模型;所提方法可考虑环间接头的影响,得到的隧道位移曲线呈现既不光滑也不连续的特征,其中环段变形以刚体位移为主,而环间接头主要发生转动和错台;而基于现有理论所得盾构隧道纵向位移均为连续曲线,无法反映环间接头的真实转动与错台位移。

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。

基于元模型订单的联合作战仿真协同建模机制

研究了不同层次作战实验室协同开展联合作战仿真建模的问题。分析了联合作战仿真建模需求,并运用元模型建模原理及其特点,建立了一种基于元模型订单的联合作战仿真协同建模机制。基于该机制,战役层与战术层作战实验室围绕元模型订单的下发与提交,在统一作战想定下进行了元模型功能分解、参数确定、试验构建和聚合应用等活动,从而实现了联合作战协同建模。以面向海上封锁作战效能评估的联合作战仿真建模为例,验证了该机制的有效性。

新型分层装配式节点钢框架地震易损性分析

为提高装配式钢框架的装配效率,结合节点抗震性能要求,提出一种新型全螺栓分层装配式节点。对新型和传统两类节点进行抗震性能试验研究,并把节点参数引入整体框架模型中,采用SAP2000建立两类框架模型并进行增量动力分析。考虑基于层间位移角的单参数损伤模型和基于变形与累积耗能的双参数损伤模型,定义结构性能水准限值并划分破坏等级,对结构进行地震易损性分析。结果表明:在单、双参数损伤指标下,新型节点框架的易损性曲线都包络于传统节点钢框架的易损性曲线内,且新型节点框架的抗倒塌储备系数更大,说明采用新型节点能降低结构在各破坏状态下的失效概率,提高框架的抗倒塌能力;在LS1、LS2极限状态下结构基于单参数损伤指标的峰值加速度中位值比基于双参数损伤指标下的峰值加速度中位值小,在LS3、LS4极限状态下则相反,说明累积耗能对结构抗震性能评估影响明显,结合双参数损伤指标能更好地预测结构的损伤程度;新型节点框架在单、双参数损伤模型下的倒塌储备系数均高于传统框架,说明新型框架的抗倒塌储备能力更高,有利于结构抗震。

岩体结构面对爆破块度的影响机制研究

结构面对爆破块度形成的影响一直是爆破工程中的热点问题,与工程的长期运行安全和经济效益关系密切。首先基于玉龙喀什水利枢纽开展级配料爆破原位试验,通过对比岩体天然块度与爆破块度的对应关系研究了结构面对爆破块度形成的影响特性,结果表明对于5 mm以下的小粒径块度,爆破荷载与岩石本身的动抗压强度起主要作用;对于中大粒径块度,应力波的扰动和结构面对原始岩体的切割是最重要的影响因素,试验结果表明结构面对级配形成影响具有明显的分区特性;进而采用LS-DYNA的二次开发技术开展爆破块度数值仿真,结果表明由于粉碎区的冲击波峰值大,结构面对小粒径块度的形成影响并不明显,但结构面的存在改变了应力波传播过程,对于中大粒径块度则有明显影响;数值仿真与原位试验相互印证。最后在传统的KUZ-RAM模型基础上,引入修正的小粒径级配预测方法,采用自学习的方式修正岩体参数项,提出了基于分区机制的岩体爆破块度预测模型,结合工程数据与已有的爆破块度预测模型进行验证,结果表明本文所提的爆破级配分区预测模型在预测精度方面有所提高。

多变量联合模型在隧道通风系统寿命预测中的应用研究

为了提高隧道通风系统的智能运维水平,将基于数据驱动的联合模型引入隧道通风系统进行剩余使用寿命(Remaining Useful Life,RUL)预测,即综合失效事件和状态监测数据进行RUL动态预测。针对基于失效事件和状态监测数据融合的RUL预测,目前工业领域主要使用两阶段模型法,该方法遵循“先退化建模,后失效建模”的步骤。由于隧道通风系统受到地铁工况环境的影响,退化过程和失效事件存在相互影响,提出了基于多元变量的联合模型,旨在辨识共享随机效应,进而降低退化模型和失效模型估计偏差,提高隧道通风系统RUL动态预测的准确度。基于调研发现,地铁隧道通风系统主要故障模式为风机轴承磨损,研究主要通过风机轴承磨损失效仿真算例,选用平均绝对误差比较所提出的方法与两阶段法、单元联合模型的预测性能。算例研究结果表明,多元联合模型方法能有效辨识出监测状态演变和失效事件的关联关系,降低模型估计的偏差,为地铁隧道安全运行提供决策支持。

面向扎根服务榆林的智能化人才三个联合培养模式研究与实践

目前榆林信息产业人才保障不足、本地高质量技术服务较差,智能化人才团队建设缓慢等问题突出,针对扎根服务榆林的智能化人才培养需求,提出“教学科研联合、师生联合、校企联合”的三个联合人才培养新模式,即“一中心、一引领、一面向、两抓手、三联合”模式:以高质量人才培养为中心,在党建引领下,面向扎根服务榆林,紧抓立德树人,紧抓专业建设,联合师生、联合校企、联合科教,专心培养扎根服务榆林本地的智能化人才。该模式以资源共享、优势互补、联动发展、共同进步的方式协同推进人才培养和科技创新的发展,对于提高教育质量、推动地方经济发展和社会进步具有重要意义。

燃料电池增程式动力系统能量管理策略研究

以某款纯电动客车为研究对象,以增加车辆续驶里程为目的,提出燃料电池增程式混合动力系统结构,根据性能指标对动力系统各部件进行匹配计算和选型.提出了开关/功率跟随式能量管理策略,基于Cruise和Simulink分别搭建了整车动力系统模型和燃料电池及能量管理策略模型并进行联合仿真.结果表明,采用文中提出的能量管理策略车辆经济性相对于开关式和能量跟随式两种控制策略分别提高62%和31%,续驶里程相对于该两种控制策略分别提高41%和18%.

面向医学领域的文本特征增强多任务学习模型

医学命名实体的识别和规范化是构建高质量医学知识图谱的基础。文中提出了一种基于文本特征增强的多任务学习模型,旨在解决现有模型中医学实体识别与规范化模型不能充分利用文本特征的问题。该模型添加词级、字符级特征和上下文语义信息来增强文本表示,再通过4个分级子任务,联合建模完成医学实体识别和规范化任务。实验表明,该模型能够学习实体识别和实体规范化这两个任务的共同特征,有效地提高学习的准确率。在NCBI和BC5CDR两个数据集上取得了较好的效果,在NER和NEN任务上的F1值分别为:91.09%,91.02%;92.05%,92%。

新型装配式框架节点地震损伤性能研究

梁柱节点的构造型式对框架结构的力学性能影响显著,该设计了一种新型装配式框架节点,为研究新型装配式框架节点的地震损伤性能,以连接方式和轴压比为设计参数,设计制作了8个节点试件进行低周循环试验,结合VIC-3D技术监测试件柱端表面应变,观察其破坏模式,分析了该节点的滞回曲线、延性和耗能能力等抗震性能指标,建立了适合于装配式节点的修正损伤模型。结果表明:新型装配式节点破坏模式为剪切破坏,主要破坏位置发生在混凝土与钢部件的连接处;装配式节点滞回曲线饱满,耗能能力强,装配式Z字形拼接节点的累积总耗能为现浇节点的1.75倍,表现出较好的抗震性能;装配式节点的延性系数在2.02~3.78,轴压比的增大会使节点承载力提高,延性降低;修正模型计算出的损伤发展曲线与实际情况吻合较好;连接方式的改变能够显著影响节点的损伤发展速率,轴压比越小,损伤发展速率越慢。最后,对装配式框架结构性态水平进行了参数量化,给出了性态水平与层间位移角、损伤指数、柱端表面峰值应变的对应关系,研究结果可为该类结构损伤评估及震后恢复提供理论依据。

模块化公交系统车辆单元动态编组方案优化

为研究基于模块化公交系统的车辆单元路段运行动态编组方案优化问题,首先,构建车辆单元方向分配与位置调整的两阶段联合优化模型。第1阶段,构建以乘客换乘次数最少为目标的整数线性规划模型,实现车辆单元最佳方向分配与增补车辆单元数计算;第2阶段,构建以位置调整时间最小和车内换乘时间最小的双目标混合整数非线性规划模型,实现车辆单元动态编组方案优化。其次,构建模型的求解算法,利用CPLEX求解器求解第1阶段车辆单元分配模型,设计非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解第2阶段车辆编队位置调整模型。最后,算例验证构建模型及求解算法的有效性,并定量探究不同车辆单元容量下的车辆单元动态编组效率与公交载客率变化。算例结果表明:在模块化公交车辆单元容量一定增幅内,模块化公交车辆单元动态编组效率会随着车辆单元容量的增加而提高;而车辆单元容量增幅太大,不仅不会提高动态编组效率,反而会降低车辆编队的载客率,造成模块化公交车辆编队运力过剩。

联合比估计法在敏感性问题调查中的应用

文章基于定性特征敏感性随机化模型——分层抽样下的Warner模型,运用联合比估计法对敏感性问题调查比例的估计量及估计误差进行了理论推导。通过效率比较得出:当各层样本量较大、比估计有效时,联合比估计法的精度优于分层估计法的精度。经调查实例验证,上述结论正确。

叶黄素对兔创伤性颞下颌关节强直的预防作用研究

目的:探讨叶黄素对兔创伤性颞下颌关节强直的作用。方法:将16只新西兰大白兔随机分为空白对照组及叶黄素干预组(实验组),所有实验动物均在保护关节囊的前提下建立创伤性颞下颌关节强直模型。术后实验组口服叶黄素10 mg·kg^(-1)·d^(-1),连续给药4周。比较2组动物的最大开口度、体重、组织学、影像学、骨代谢指标等方面的差异。采用GraphPad Prism 9.4.0软件包对数据进行统计学分析。结果:术后实验组动物体重、开口度、血清骨钙素浓度、CT测量的髁突表面积及体积显著高于对照组(P<0.05)。组织形态学观察显示,2组实验动物髁突残端可见编织骨和新生骨,纤维中有时可见软骨化生灶,偶可见肉芽组织和陈旧性出血。实验组髁突纤维层增厚,细胞增殖活跃,细胞层次更加明显。结论:叶黄素对创伤性颞下颌关节强直的发生有一定预防作用,其作用机制可能与叶黄素促进骨形成、提高血清骨钙素浓度等有关。

考虑健康信念的游客分时预约行为分析

为探索新冠肺炎疫情背景下景区分时预约策略、游客健康信念和风险预防行为之间的关系,需考虑健康信念,分析疫情防控期间游客分时预约行为机理。采用意愿调查法获取旅游信息、健康信念、分时预约行为意向数据,分析各预约时段余票比例和门票预售期等信息对游客分时预约行为的影响。基于Nested Logit(NL)模型,建立考虑健康信念的游客游玩日期-时段预约选择联合模型,并进行敏感性分析。结果表明:预约信息、健康信念对游客预约节假日或非节假日游玩有显著影响;票价、各预约时段余票比例和健康信念对游客游玩时段预约选择行为有显著影响。游客感知新冠的严重性由1上升至5时,选择节假日出行的概率由30.46%下降至12.28%。研究可为景区分时预约策略的制定提供参考依据。

断层错动下非连续管道的力学响应分析

断层错动诱发上覆土体破坏对跨越断层的埋地管道结构安全构成巨大威胁,是复杂环境地下管线设计中不可忽略的场地因素。既有成果较少涉及正断层和逆断层错动影响下的解析解分析,且针对断层-管道相互作用的理论研究一般将管道结构视为连续管道,较少考虑管道接口的影响。首先,在简化SSR(静止区stationaryzone,剪切区shearingzone,刚体区rigid body zone)土体变形模型的基础上,结合erf函数和erfc函数,得到了正断层和逆断层错动影响下的土体位移曲线;其次,引入双参数Pasternak地基模型,对管道微元进行受力分析,借助有限差分法求解得到埋地管道结构的变形和内力;最后,将理论解析解和已有的试验结果及数值模拟结果进行对比验证,获得了较好的一致性。此外,针对断层倾角、断层与管道交点位置和接口转动刚度等关键物理特征参数进行了敏感性分析。结果表明:断层倾角会改变管道位移曲线和轴向应力曲线位置,但其位移最大值和轴向应力最大值基本一致,而断层与管道交点位置不仅会改变管道位移曲线和轴向应力曲线形状,其轴向应力最大值也将发生改变;随着接口转动刚度增大,管道最大轴向应力值随之增大,当接口转动刚度足够大时,可将非连续管道视作连续管道进行计算。

应力波作用下隧洞顶板围岩块体失稳滑动解析理论研究

由于地质结构和开挖面的影响,隧洞围岩通常被切割成不同形状和尺寸的块体.其中,一些关键块体在开挖卸载后仍然保持稳定,但当受到应力波(如爆破振动和地震等)的干扰时可能会失去稳定性并滑动.基于应力波传播理论推导了隧洞围岩顶板矩形关键块体动力失稳滑动解析模型,在计算块体滑动位移过程中,考虑了块体间节理的不同闭合-张开模式,并采用线弹性模型和库仑滑移模型来描述节理的法向和切向行为.通过UDEC数值模型验证了解析模型的有效性和可靠性.随后,基于解析模型探讨了可能影响块体失稳滑动的参数.研究结果表明:在应力波作用下,隧洞围岩块体间节理面会闭合-张开,在张开过程中节理面的摩擦力会逐渐降低,甚至为零,块体间节理面的超低摩擦和无摩擦阶段对块体滑动位移的影响最大;当应力波垂直作用于围岩块体结构面且强度足以诱使节理面张开时,影响块体滑动位移较大的参数是节理面初始法向应力、应力波振幅、频率和块体岩性,单周期正弦应力波下块体滑动位移的变化在0.659~1.502 mm之间;其次为节理初始法向刚度、块体尺寸,块体滑动位移的变化在0.15~0.168 mm之间.

基于多模式仿真数据协同迁移的轴承故障辨识

针对目前迁移诊断算法对训练样本规模与质量的依赖性,以及在特殊工况环境中进行轴承故障数据采集与标注的困难性问题,提出基于多模式仿真数据协同迁移的轴承故障诊断方法。首先,采用实际工况参数嵌入的轴承故障动力学模型生成各类故障模拟数据,解决实际故障样本不足与标签缺失问题。然后,根据在仿真数据可迁移模式分析基础上建立多个子源域,引入几何统计联合对齐法对各子源域进行无监督迭代迁移,克服了单一模式迁移信息不足与跨域特征差异度过大引起的负迁移问题。最后,采用优化模糊积分决策融合方法对迁移迭代中的多模式特征伪标签进行协同分配,逐步提高目标域标签的可信度与迁移模型的域适应能力。试验结果表明,该文所提方法以故障仿真数据为驱动,无需实测标签数据的引导迁移,就可实现轴承各类故障的准确辨识。该方法对工况环境变化及目标域样本大小具有较好鲁棒性,在非完备数据支撑的高端轴承故障诊断领域具有较好应用前景。