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Design of Implant Prosthesis for Bone Injury Repair Considering Stress Shielding Effect
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作者 Yixin Shao Ye Zhu +5 位作者 Tianmin Guan Qi Hu Baozhong Wei Bing Lin Liyan Zhang Qian Cao 《Journal of Beijing Institute of Technology》 EI CAS 2022年第3期259-274,共16页
The failure of bone injury repair surgery is mostly due to the stress shielding effect caused by the difference of elastic modulus between the implant prosthesis and human bone,result-ing in a great damage to patients... The failure of bone injury repair surgery is mostly due to the stress shielding effect caused by the difference of elastic modulus between the implant prosthesis and human bone,result-ing in a great damage to patients.To solve this problem,in this study,the influencing factors of the elastic modulus of implant prosthesis were investigated,the relationship between the elastic modulus of the implanted prosthesis and the influencing factors was analyzed,and then a design method of the implant prosthesis to reduce the stress shielding effect by adjusting the unit module to control the elastic modulus was established.This method was used for the biomechanical simula-tion to simulate the displacement and stress distribution between the implant prosthesis and the surrounding bone tissue,and then the reliability of the method was verified.The implant prosthe-sis with an elastic modulus consistent with that of the experimental dog bone was made by this method,and used for the animal experiments.The effects of implant prosthesis with different mod-ulus on the growth of surrounding bone tissue were observed,and at the same time,the reliability of the implant design method and the results of biomechanical simulation were verified.It is con-firmed that this method can effectively reduce the stress concentration of implant prosthesis by more than 15.4%and increase the growth of bone tissue by more than 21%. 展开更多
关键词 stress shielding bone model biomechanical simulation gradient assignment
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Determination of the critical rainfall of runoff-initiated debris flows by the perspective of physical mechanics and Shields stress
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作者 MA Chao ZHU Yongtai +3 位作者 LU Lu DU Cui LYU Liqun DONG Jie 《Journal of Mountain Science》 SCIE CSCD 2024年第4期1160-1173,共14页
The critical rainfall of runoff-initiated debris flows is utmost importance for local early hazard forecasting.This paper presents research on the critical rainfall of runoff-initiated debris flows through comparisons... The critical rainfall of runoff-initiated debris flows is utmost importance for local early hazard forecasting.This paper presents research on the critical rainfall of runoff-initiated debris flows through comparisons between slope gradients and three key factors,including topographic contributing area,dimensionless discharge,and Shields stress.The rainfall amount was estimated by utilizing in-situ rainfall records and a slope-dependent Shields stress model was created.The created model can predict critical Shields stress more accurately than the other two models.Furthermore,a new dimensionless discharge equation was proposed based on the corresponding discharge-gradient datasets.The new equation,along with factors such as contributing area above bed failure sites,channel width,and mean diameter of debris flow deposits,predicts a smaller rainfall amount than the in-situ measured records.Although the slope-dependent Shields stress model performs well and the estimated rainfall amount is lower than the in-situ records,the sediment initiation in the experiments falls within sheet flow regime due to a large Shields stress.Therefore,further sediment initiation experiments at a steeper slope range are expected in the future to ensure that the sediment transport belongs to mass failure regime characterized by a low level of Shields stress.Finally,a more accurate hazard forecast on the runoff-initiated debris flow holds promise when the corresponding critical slope-dependent dimensionless discharge of no motion,fluvial sediment transport,mass flow regime,and sheet flow regime are considered. 展开更多
关键词 Infinite slope stability shields stress Contributing area-slope gradient Rainfall back estimation
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个性化髋关节假体设计及其生物力学性能研究
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作者 宜亚丽 陈涛 +3 位作者 杨泽宇 侯硕 柴立平 金贺荣 《力学与实践》 2024年第2期362-370,共9页
通用型髋关节假体和个人股骨匹配度不足,易导致应力遮挡率过大。为制备与个人股骨相匹配的髋关节假体,基于人体下肢电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)数据,通过逆向工程技术建立股骨实体模型,利用提取的关键特征参数逆向建模... 通用型髋关节假体和个人股骨匹配度不足,易导致应力遮挡率过大。为制备与个人股骨相匹配的髋关节假体,基于人体下肢电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)数据,通过逆向工程技术建立股骨实体模型,利用提取的关键特征参数逆向建模,建立个性化髋关节假体模型,采用步态试验确定股骨受力情况,进行有限元分析和电测实验研究其生物力学性能。结果显示,在站立中期的步态载荷下个性化髋关节假体的应力遮挡率在7.64%~38.71%之间,通用型髋关节假体应力遮挡率在16.66%~49.32%之间。个性化髋关节假体可以减小应力遮挡率,可为髋关节假体研究人员提供参考。 展开更多
关键词 个性化髋关节假体 步态试验 应力遮挡 有限元分析 电测实验
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Bone graft incorporation failure with inappropriate limb load transfer can lead to aseptic acetabular loosening of metal-on-metal prosthesis: A case report
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作者 RafałStanisław Domagalski Bogdan Dugiełło +6 位作者 Sonia Rokicka Szymon Czech RafałSkowroński Dominika Rokicka Marta Patrycja Wróbel Krzysztof Strojek Tomasz Stołtny 《World Journal of Orthopedics》 2024年第7期668-674,共7页
BACKGROUND Aseptic acetabular loosening can result from various factors that can be categorized into groups:patient-related,surgeon-related and implant-related.We present a case of a 63-year-old patient who at first u... BACKGROUND Aseptic acetabular loosening can result from various factors that can be categorized into groups:patient-related,surgeon-related and implant-related.We present a case of a 63-year-old patient who at first underwent a total hip arthro-plasty(THA)using a metal-on-metal bearing due to hip arthrosis.Follow-up visits revealed no complications after the procedure.Two years after the THA,acetabular component loosening occurred due to subsequent trauma of the opposite hip,necessitating a revision THA using a ceramic-on-ceramic bearing.CASE SUMMARY We aim to illustrate a rare case where the primary reason for undergoing THA revision was not only incomplete bone graft incorporation but also improper limb load distribution.Following the revision arthroplasty,a 9-year follow-up visit revealed improvements in all evaluation measures on questionnaire compared to the state before surgery:Harris Hip Score(before surgery:15;after surgery:95),Western Ontario and McMaster Universities Arthritis Index(before surgery:96;after surgery:0),and Visual Analogue Scale(before surgery:10;after surgery:1).CONCLUSION Opposite-hip trauma caused a weight transfer to the limb after a THA procedure.This process led to a stress shielding effect,resulting in acetabular component loosening. 展开更多
关键词 Acetabular loosening Limb load stress shielding effect Revision hip arthroplasty Case report
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考虑黏土蠕变特性的大埋深盾构复推总推力增量解析解研究
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作者 王树英 钟嘉政 +1 位作者 付循伟 龚振宇 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期139-150,共12页
由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹... 由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹性理论推导盾壳-地层径向接触应力的黏弹性解,进而通过积分和分段计算求解复推总推力增量与停机时间的理论关系式。结合水工盾构隧洞停机实例,对比复推总推力增量实际值与理论值。研究结果表明:复推总推力增量实际值与理论值平均相对误差为13.81%,验证了该解析解的可靠性;隧洞埋深越大,复推总推力增量越大,表明大埋深段停机需更关注复推推力控制;盾壳-地层界面摩阻力随超挖间隙增大而减小,而复推总推力增量随之增大;此外,总推力增量随着盾壳-地层界面摩擦因数减小而显著减小。因此,设置合适的超挖间隙和长时间停机时采取往盾壳外注入膨润土等润滑减阻措施能有效预防大埋深段停机的次生风险。 展开更多
关键词 黏土蠕变特性 盾壳-地层接触应力 复推总推力增量 超挖间隙 摩擦因数
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山岭铁路盾构隧道荷载及结构受力特性研究
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作者 符亚鹏 豆留盼 +2 位作者 靳宝成 王新东 方勇 《铁道工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第2期61-67,共7页
研究目的:为研究山岭盾构隧道的荷载分布特征及其衬砌结构力学行为,依托某铁路工程,基于FLAC3D建立数值模型,研究山岭铁路大断面盾构隧道管片上的荷载分布及大小,分析不同影响因素下双层衬砌的内力分布特征。研究结论:(1)衬砌周边围岩... 研究目的:为研究山岭盾构隧道的荷载分布特征及其衬砌结构力学行为,依托某铁路工程,基于FLAC3D建立数值模型,研究山岭铁路大断面盾构隧道管片上的荷载分布及大小,分析不同影响因素下双层衬砌的内力分布特征。研究结论:(1)衬砌周边围岩应力在盾构通过前后,有瞬间增大再减小再增大最后保持不变的趋势,且稳定后衬砌上竖向和侧向地层压力均呈两端大中间小形状分布;(2)隧道在不同赋存条件下应选用与其相适应的荷载计算理论,如在50 m埋深(Ⅴ级围岩)条件下宜采用普氏理论,100 m埋深(Ⅴ级围岩)条件下宜采用铁路隧道规范理论;当围岩条件较差及埋深较浅时荷载计算理论结果略微偏于不安全,当埋深较大以及围岩条件较好时荷载计算理论结果均偏保守;(3)双层衬砌结构中二次衬砌相比管片内力很小,且围岩稳定性对二次衬砌的受力特性影响较大;(4)本研究成果可为山岭盾构隧道结构设计提供技术支撑。 展开更多
关键词 铁路盾构隧道 荷载分布 结构受力 数值模拟
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有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异 被引量:1
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作者 颜华东 张中 +5 位作者 赵刚 李杰 宋华 孙建华 刘志 王明明 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第24期3814-3821,共8页
背景:胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗具有挑战性,新型逆行胫骨髓内钉、外置接骨板是重要的治疗手段,但其在骨折愈合不同时期、不同负重情况时的骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。目的:通过有限元分析法探讨骨折愈合不同时期逆... 背景:胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗具有挑战性,新型逆行胫骨髓内钉、外置接骨板是重要的治疗手段,但其在骨折愈合不同时期、不同负重情况时的骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。目的:通过有限元分析法探讨骨折愈合不同时期逆行髓内钉及外置接骨板的生物力学差异,为临床应用及康复锻炼提供科学参考。方法:利用1名40岁健康男性的胫骨CT数据,建立胫骨远端粉碎骨折的有限元模型,构建胫骨逆行髓内钉、外置接骨板固定模型及骨痂模型并根据骨折的固定原则进行装配。使用ANSYS软件进行有限元分析,比较骨折愈合不同时期时逆行髓内钉及外置接骨板2种固定方式的骨折端位移、胫骨应力遮挡、骨痂应力、胫骨及固定装置应力分布情况。结果与结论:①胫骨骨折端相对位移随着骨折愈合的进行逐渐减小,在术后3个月后位移明显减少;术后0,1个月,外置接骨板组的垂直位移及总位移均大于逆行髓内钉组,2种固定方式的Z轴位移(水平内外侧位移)均较X、Y轴位移明显,且接骨板模型的Z轴位移差异最明显;2种固定方式的Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧,位移最小位置均位于胫骨内侧;②骨折愈合的应力遮挡率随骨折时间延长而逐渐降低;逆行髓内钉的应力遮挡率在骨折愈合不同时期均高于外置接骨板;术后3个月后外置接骨板的应力遮挡率降低到4%左右,逆行髓内钉的应力遮挡率降低到40%左右;③2种固定方式骨痂应力集中部位的应力随着载荷的增大而增加,外置接骨板组骨痂的应力始终大于逆行髓内钉组;2种固定方式中,骨痂最大应力大致分布一致,均位于胫骨外侧部分;④随着骨折愈合2种固定方式的胫骨最大应力逐渐降低,外置接骨板组的应力始终大于逆行髓内钉组;1500 N载荷下外置接骨板组胫骨最大应力区域平均应力为285 MPa,而逆行髓内钉组为26 MPa;⑤随着骨折愈合2种固定模型中固定装置的应力逐渐降低,外置接骨板组的应力均明显高于逆行髓内钉组;术后3个月以后,2种固定装置的应力下降幅度明显变缓;⑥提示在骨折愈合早期,胫骨逆行髓内钉组中骨折端应变小、胫骨最大应力适中,允许早期负重;外置接骨板组骨折端存在应变过大、胫骨最大应力过大,需在保护下部分负重、不能完全负重;在骨折愈合中后期,胫骨逆行髓内钉及外置接骨板组均可完全负重,接骨板的应力遮挡率明显低于胫骨逆行髓内钉。 展开更多
关键词 胫骨远端骨折 骨痂 骨折愈合 逆行髓内钉 外置接骨板 有限元分析 生物力学 应力遮挡
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人工膝关节中胫骨髓内柄的结构设计 被引量:1
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作者 曹雪坤 董万鹏 +5 位作者 董跃福 张震 张吉超 李佳意 苏德君 马洪浩 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第21期3326-3333,共8页
背景:伴随着社会进步,面对社会人口中快速发展的老龄化问题,膝骨关节炎发病率越来越高,全膝关节置换手术量逐渐增加。目的:通过对胫骨假体基座进行改进,研究假体尺寸与应力遮挡间的关系。方法:选择1例患有重度膝骨关节炎的女性患者,以Mi... 背景:伴随着社会进步,面对社会人口中快速发展的老龄化问题,膝骨关节炎发病率越来越高,全膝关节置换手术量逐渐增加。目的:通过对胫骨假体基座进行改进,研究假体尺寸与应力遮挡间的关系。方法:选择1例患有重度膝骨关节炎的女性患者,以Mimics为基础,通过提取膝关节骨骼结构模拟全膝关节置换手术,进行截骨、定位、置入操作,建立全膝关节置换假体(包含股骨假体、胫骨托、胫骨衬垫)的几何模型,对胫骨假体基座进行改进设计,分析不同胫骨假体基座对周围骨组织应力遮挡的影响。结果与结论:①与单柄胫骨髓内柄假体相比,四桩胫骨髓内柄假体设计在短桩周围会造成一定的应力遮挡,但是与较粗大的单个长柄相比,这种应力遮挡作用明显减小,并由4个短桩来均匀分担负荷,因而在桩底部不会造成应力集中;②中部有矩形孔的设计,不仅能提供相对好的稳定性,并且在一定程度上还有利于减少松质骨的应力遮挡,减少率达77.5%;③与单柄胫骨髓内柄假体相比,四桩胫骨髓内柄假体和中部有孔的四桩胫骨髓内柄假体都有很好的稳定性,可以在一定程度上减少应力遮挡,不会造成应力集中,为胫骨髓内柄的设计提供理论指导。 展开更多
关键词 结构设计 膝关节 胫骨基座 数值模拟 假体设计 应力遮挡 人工关节 胫骨髓内柄
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大直径海底盾构隧道施工过程中衬砌管片受力分析
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作者 麻凤海 郑叶琳 王洪亮 《城市轨道交通研究》 北大核心 2024年第8期161-165,173,共6页
[目的]为判定海底大直径盾构隧道结构工程的安全性和可靠性,需对其衬砌管片的受力进行分析。[方法]以大连地铁5号线大连站站—梭鱼湾南站区间海底盾构隧道衬砌管片为研究对象,利用MIDAS GTS有限元分析软件对该盾构隧道结构和周围岩体进... [目的]为判定海底大直径盾构隧道结构工程的安全性和可靠性,需对其衬砌管片的受力进行分析。[方法]以大连地铁5号线大连站站—梭鱼湾南站区间海底盾构隧道衬砌管片为研究对象,利用MIDAS GTS有限元分析软件对该盾构隧道结构和周围岩体进行建模,得出施工一段时间后衬砌管片的受力情况,并与现场监测数据、理论计算数据进行对比分析。[结果及结论]衬砌管片所受土压力随施工推进基本稳定;同一监测断面不同测试点土压力存在一定差异,拱顶和拱底位置处受力较大,因此在隧道施工期以及未来运营期,拱顶和拱底均为着重关注部位,可通过一定物理手段对其加强处理;现场监测数据和数值模拟数据显示,衬砌管片内力结果较为接近,在一定简化条件下,数值模型能够较为真实地反映衬砌管片的实际受力情况。 展开更多
关键词 海底隧道 大直径盾构隧道 衬砌管片 管片受力
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骨小梁髋假体柄植入的应力分析
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作者 李博 高丽兰 +5 位作者 陈亚 刘淑红 胡亚辉 吕林蔚 叶金铎 张春秋 《医疗卫生装备》 CAS 2024年第3期29-35,共7页
目的:分析髋关节置换中实心钛合金假体与骨小梁假体柄植入的应力。方法:基于Mimics软件逆向建立股骨模型,并使用Geomagic软件对股骨模型进行优化,再通过SolidWorks软件将模型实体化。将截骨后的股骨与金属股骨柄进行装配,并将装配好的... 目的:分析髋关节置换中实心钛合金假体与骨小梁假体柄植入的应力。方法:基于Mimics软件逆向建立股骨模型,并使用Geomagic软件对股骨模型进行优化,再通过SolidWorks软件将模型实体化。将截骨后的股骨与金属股骨柄进行装配,并将装配好的模型导入ABAQUS中进行有限元计算。将股骨上部分为内侧近端点(小转子区)、外侧近端(大转子区)、股骨干近端点(茎突中段周围)、远端区域(茎突末端周围和远端)4个区域(处于不同整合状态),计算步态、爬楼梯载荷下植入实心钛合金假体和骨小梁假体前后的股骨应力以及区域未整合时的界面应力,并通过应力椭球分析骨界面的变形类型。结果:在小转子区,步态和爬楼梯载荷下骨小梁假体相比实心钛合金假体应力屏蔽率分别降低了20.5%和14.7%。实心钛合金假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为10.842、12.900 MPa,剪应力最大分别为7.050、6.805 MPa;而骨小梁假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为3.858、4.389 MPa,剪应力最大分别为4.156、3.854 MPa。2种不同载荷下,界面内侧剪应力椭球开口朝向两侧,骨界面发生拉伸变形;界面外侧剪应力椭球上下开口,发生压缩变形。结论:全髋关节置换术后,骨小梁假体的整体性能优于实心钛合金假体,且假体-骨界面未整合边缘易发生应力集中以及变形,引发进一步失效。 展开更多
关键词 髋关节置换 骨小梁型假体 假体柄 应力屏蔽 界面强度 界面变形
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亲水性Gyroid结构种植体的制备及力学性能分析
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作者 闫星华 王心彧 +4 位作者 刘苗 韩泽奎 宋颐函 张岩 孙子惠 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第16期3343-3350,共8页
背景:传统实心钛合金种植体的弹性模量高于人骨,由此引起的“应力屏蔽”现象可能会影响种植体的骨结合,同时3D打印钛合金表面的亲水性有待提高。目的:制备生物力学性能优良的亲水性Gyroid结构种植体。方法:建立Gyroid结构种植体、实心... 背景:传统实心钛合金种植体的弹性模量高于人骨,由此引起的“应力屏蔽”现象可能会影响种植体的骨结合,同时3D打印钛合金表面的亲水性有待提高。目的:制备生物力学性能优良的亲水性Gyroid结构种植体。方法:建立Gyroid结构种植体、实心结构种植体、下颌骨骨块和牙冠的3D模型,对不同结构种植体的力学性能进行有限元分析。将Gyroid结构种植体模型导入3D打印机,使Gyroid结构种植体实体化,然后对种植体表面依次进行喷砂酸蚀和紫外光功能化处理,制备具有优良力学性能和表面活性的亲水性Gyroid结构种植体。通过扫描电镜和接触角测试分析3D打印Ti6Al4V试件表面改性处理前后的形貌与亲水性。结果与结论:①有限元分析结果显示,在垂直向平均咬合力作用下,Gyroid结构可以将作用于种植体上的载荷均匀分散到整个结构中,实心结构种植体上的载荷只能分散在其外表面并集中于颈部;Gyroid结构种植体受到的最大等效应力为200.67 MPa,不超过Ti6Al4V材料屈服强度的50%;Gyroid结构种植体对周围骨组织的最大等效应力为24.27 MPa,略高于实心结构种植体的最大等效应力17.32 MPa,并且在20-60 MPa区间内,Gyroid结构种植体对新骨形成的刺激效果优于实心结构种植体。②3D打印技术可以将Gyroid结构种植体模型实体化,扫描电镜下可见3D打印Ti6Al4V试件表面有许多未熔融的球形金属颗粒,经喷砂酸蚀后表面形成微米级网状孔洞结构,已不见凸出的金属颗粒,紫外光功能化处理+喷砂酸蚀处理的试件表面形貌与喷砂酸蚀组基本一致;接触角测试结果显示,紫外光功能化处理+喷砂酸蚀处理后的试件表面亲水性优于喷砂酸蚀处理组与无表面处理组。③喷砂酸蚀处理可以去除3D打印试件上弱连接的金属颗粒,提高实体模型与设计模型的相似性,在此基础上进行紫外光功能化处理可以显著提高3D打印Gyroid结构种植体的亲水性且不影响其结构。 展开更多
关键词 三周期极小曲面 Gyroid结构 应力屏蔽 表面改性 3D打印 紫外光功能化
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水下高速公路盾构隧道联络通道冻结施工模拟分析
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作者 张军 张立鹏 +1 位作者 闫良涛 郑甲佳 《施工技术(中英文)》 CAS 2024年第3期14-20,共7页
公路盾构隧道联络通道建设面临较大的不确定性和风险,通常采用人工地层冻结法进行施工。以孟加拉吉大港卡纳普里河底盾构隧道联络通道为研究对象,分析联络通道施工过程中冻土帷幕和结构衬砌受力情况,研究采用双圈管冻结施工过程中冻土... 公路盾构隧道联络通道建设面临较大的不确定性和风险,通常采用人工地层冻结法进行施工。以孟加拉吉大港卡纳普里河底盾构隧道联络通道为研究对象,分析联络通道施工过程中冻土帷幕和结构衬砌受力情况,研究采用双圈管冻结施工过程中冻土帷幕发展规律。针对施工期和运营期衬砌受力的最不利工况进行验算,分析积极冻结和维护冻结阶段温度场的变化,并研究部分不确定参数的敏感性。分析结果表明,该联络通道设计施工方案合理可行。 展开更多
关键词 隧道 盾构 联络通道 冻结法 数值模拟 应力 温度场
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功能梯度材料全踝关节假体力学响应的有限元分析
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作者 马杰 李永胜 +3 位作者 陈静 武晓刚 林建英 文云鹏 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期881-888,共8页
目的研究分别植入径向和轴向功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)踝关节假体后,胫骨假体与胫骨远端松质骨的力学响应。方法使用3种FGM,分别为钛合金-生物活性玻璃复合FGM(FGM-Ⅰ)、钛合金-理想骨弹性材料复合FGM(FGM-Ⅱ)... 目的研究分别植入径向和轴向功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)踝关节假体后,胫骨假体与胫骨远端松质骨的力学响应。方法使用3种FGM,分别为钛合金-生物活性玻璃复合FGM(FGM-Ⅰ)、钛合金-理想骨弹性材料复合FGM(FGM-Ⅱ)、钛合金-羟基磷灰石复合FGM(FGM-Ⅲ)。建立全踝关节置换三维有限元模型,利用仿真软件ABAQUS基于Fortran进行二次开发,通过改变体积分数,在轴向和径向上调整所建功能梯度胫骨假体的力学特性。分析FGM轴向和径向胫骨假体植入后,在站立位工况下胫骨假体与胫骨松质骨上的应力分布。结果与钛合金胫骨假体相比,3种FGM均可有效减小胫骨假体上的应力集中,其中FGM-Ⅲ胫骨假体总体效果优于FGM-Ⅰ和FGM-Ⅱ胫骨假体,且相对于轴向分布而言,FGM沿径向分布可以有效降低假体的最大von Mises应力。对于胫骨松质骨,3种FGM径向胫骨假体和FGM-Ⅲ轴向胫骨假体均能有效增加其远端应力,从而减轻松质骨上的应力遮挡,其中FGM-Ⅲ径向胫骨假体最为有效地改善了松质骨上的应力水平。结论FGM-Ⅲ径向踝关节假体可以有效降低假体上的应力集中现象并减小应力遮挡效应,以此达到延长假体寿命的目的,具有潜在的应用前景。 展开更多
关键词 功能梯度材料 踝关节假体 应力遮挡 有限元分析
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油气管道非饱和磁化应力检测技术研究
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作者 陈潇 辛佳兴 +4 位作者 苏政达 史徐武 何仁洋 刘畅 陈金忠 《石油机械》 北大核心 2024年第7期137-144,共8页
应力集中是在役油气管道损伤、失效的重要原因,为能源的输送安全埋下巨大隐患。为此,提出一种非饱和磁化管道应力检测新方法,分析了非饱和磁化油气管道应力检测机理,推导获得了应力检测等效磁路模型,利用有限元方法探究了屏蔽层对应力... 应力集中是在役油气管道损伤、失效的重要原因,为能源的输送安全埋下巨大隐患。为此,提出一种非饱和磁化管道应力检测新方法,分析了非饱和磁化油气管道应力检测机理,推导获得了应力检测等效磁路模型,利用有限元方法探究了屏蔽层对应力响应信号的影响规律,对X52管道钢试件在0~140 MPa范围内进行拉伸应力检测试验,验证了非饱和磁化检测探头对试件应力状态的感知能力。研究结果表明:随磁屏蔽层长度增加,信号畸变度持续增加,但梯度值减小;随磁屏蔽层厚度增加,信号畸变度先增加后减小;拉伸应力与响应信号呈现负相关的线性变化趋势。研制的检测探头对应力状态感知的灵敏度达到18.48 mV/MPa。研究成果可为管道应力集中在线检测探头及装备研制提供参考。 展开更多
关键词 油气管道 应力检测 非饱和磁化 等效磁路 屏蔽
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氢影响下纳米晶体晶界滑移和晶界三叉点裂纹形核模型
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作者 赵可可 朱云蝶 +1 位作者 张吉鼎 江晓禹 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第7期875-885,共11页
在远场均匀拉伸载荷下,裂纹尖端会产生应力集中,与裂纹尖端相邻的晶界会承受较大的切应力,此切应力会导致晶界滑移.该文研究了氢和纳米晶界滑移对晶界裂纹形核、临界应力强度因子以及屏蔽效应的影响.应用连续分布位错方法给出了模型的... 在远场均匀拉伸载荷下,裂纹尖端会产生应力集中,与裂纹尖端相邻的晶界会承受较大的切应力,此切应力会导致晶界滑移.该文研究了氢和纳米晶界滑移对晶界裂纹形核、临界应力强度因子以及屏蔽效应的影响.应用连续分布位错方法给出了模型的理论解.结果表明:由于位错在晶界三叉点和滑移带尖端处的塞积,楔形裂纹会优先沿着晶界三叉点DC方向和晶界BD向上萌生,而且氢会使得裂纹萌生的总能量降低,氢浓度每增加1%,萌生最稳定裂纹的总能量大约降低1.86%.虽然晶界滑移会使得裂纹尖端的临界应力强度因子和屏蔽效应增大,但是氢使得临界应力强度因子降低.最后根据弱键理论,研究了氢对表面能的影响,氢浓度每增加1%,表面能降低5%.这一理论工作提供了氢和晶界滑移对材料微观断裂力学的新信息,有助于解释金属断裂的微观机理. 展开更多
关键词 晶界滑移 晶界三叉点 裂纹 临界应力强度因子 屏蔽效应
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柔性碳/三聚氰胺复合泡沫的电磁屏蔽与传感特性
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作者 苏秉尧 王斌 +4 位作者 侯林伟 王恒 赵建伟 贺辛亥 袁亚蓉 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期265-271,共7页
智能可穿戴设备不断发展,对柔性传感与电磁屏蔽提出了更高的要求。以三聚氰胺泡沫为基底,通过一种低成本、短周期的浸渍-化学镀镍工艺,将纳米碳质颗粒等物质包覆于三聚氰胺泡沫骨架,制备了兼具电磁屏蔽与柔性传感的复合泡沫材料。采用... 智能可穿戴设备不断发展,对柔性传感与电磁屏蔽提出了更高的要求。以三聚氰胺泡沫为基底,通过一种低成本、短周期的浸渍-化学镀镍工艺,将纳米碳质颗粒等物质包覆于三聚氰胺泡沫骨架,制备了兼具电磁屏蔽与柔性传感的复合泡沫材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、万能试验机、电化学工作站和矢量网络分析仪研究了碳/三聚氰胺复合泡沫的微观结构、循环压缩、应力传感特性及电磁屏蔽效能。结果表明,碳/三聚氰胺复合泡沫呈三维开孔网状结构,压缩韧性良好;镀镍后,复合泡沫的最大应力为2.75 MPa,循环压缩前两圈吸收能量为22.17 MJ·cm^(-3)。碳/三聚氰胺复合泡沫呈压阻式传感特性,在低应力区传感准确性良好,测试范围较宽,灵敏度为(0.62±0.06) kPa^(-1);镀镍后,响应电流增大,复合泡沫在高应力区传感准确性良好,灵敏度为(3.38±1.0) kPa^(-1)。碳/三聚氰胺复合泡沫的电磁屏蔽以吸收屏蔽效能为主。镀镍前,电磁屏蔽效能与密度呈正相关,当密度为0.168 g·cm^(-3)时,复合泡沫的比电磁屏蔽值最优,为182.86 dB·cm3·g^(-1);镀镍后,复合泡沫的绝对电磁屏蔽值最佳,为178.61 dB·cm^(2)·g^(-1)。 展开更多
关键词 柔性 复合泡沫 循环压缩 应力传感 电磁屏蔽
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高铁海底隧道矿山-盾构对接段渗流应力耦合特征研究
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作者 靖一峰 汪波 +2 位作者 梅洁 刘金炜 孟庆余 《水资源与水工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第5期181-190,共10页
矿山法与盾构法水下对接施工是海底隧道修建的关键技术难题,明确渗流-应力耦合特征是隧道对接段建设和运营安全的重要保障。采用有限元软件对现场对接施工方案进行三维数值模拟,基于数值模拟结果,分析了隧道不同施工区段的渗流特征、位... 矿山法与盾构法水下对接施工是海底隧道修建的关键技术难题,明确渗流-应力耦合特征是隧道对接段建设和运营安全的重要保障。采用有限元软件对现场对接施工方案进行三维数值模拟,基于数值模拟结果,分析了隧道不同施工区段的渗流特征、位移变形和应力变化规律,揭示了隧道矿山-盾构对接段施工对围岩扰动的渗流-应力耦合机制。结果表明:隧道开挖后,围岩中的孔隙水向隧道洞周及开挖面汇集并不断补给,导致孔隙水压力减小,并形成降水漏斗,隧道洞周渗流速度增加,在开挖阶段涌水量较大;受水力梯度影响,拱底处孔隙水压力最大,施工可通过设置排水措施,进行引排泄压;隧道断面开挖时,位移变形产生突变,受开挖面排水泄压影响,在隧道断面开挖前,拱底处产生竖向位移沉降;相较于盾构法,矿山法施工的扰动程度更大,在不同施工段落区段,采用矿山法施工的开挖断面主应力分布一致。研究可为海底隧道矿山法与盾构法水下对接工程安全性评价提供参考。 展开更多
关键词 海底隧道 矿山法 盾构法 对接段 渗流应力耦合
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海底风化槽地铁盾构隧道结构受力监测与计算
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作者 张强 王九利 《城市轨道交通研究》 北大核心 2024年第10期129-134,共6页
[目的]为探明海底风化槽盾构隧道结构荷载分布特征,特开展隧道管片结构内力响应规律研究。[方法]依托某跨海地铁盾构隧道项目,针对其海底风化槽段,实施了管片水土荷载及结构内力的系统性监测。通过数据分析,揭示了该区域隧道结构荷载与... [目的]为探明海底风化槽盾构隧道结构荷载分布特征,特开展隧道管片结构内力响应规律研究。[方法]依托某跨海地铁盾构隧道项目,针对其海底风化槽段,实施了管片水土荷载及结构内力的系统性监测。通过数据分析,揭示了该区域隧道结构荷载与内力的分布特征,并进一步验算了潮汐荷载作用下管片的疲劳特性。[结果及结论]①监测结果显示,水土压力与钢筋内力经历了初期的显著波动后趋于稳定。稳定阶段的水土压力维持在0.1~0.4 MPa范围内。内侧钢筋应力范围为-2.19~-38.60 MPa,外侧的则为-6.95~-34.59 MPa。对比钢筋应力的计算值与实测值,二者比值为0.6~1.8,显示出良好的一致性。②管片所受水土荷载随潮汐水位的周期性变化(周期为12 h)而呈现相应的波动。管片接缝处的最大主应力水平为-2.45~-2.60 MPa,应力幅值在0.31~0.34 MPa之间,应力比则介于0.87~0.96之间。③在不同潮汐荷载幅值条件下,管片的应力水平保持相对稳定,而应力幅值则随潮汐荷载幅值的增加而线性增长,同时应力比呈线性下降趋势。当潮汐荷载幅值达到实测值的5倍时,管片的主应力幅值增大至1.70 MPa,应力比降至0.84,此时混凝土主应力的最大值范围为-1.6~-3.6 MPa。 展开更多
关键词 地铁盾构隧道 结构受力 海底风化槽 现场监测
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大埋深盾构隧道管片结构受力特性实测分析
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作者 刘楠 《广东水利电力职业技术学院学报》 2024年第3期28-32,共5页
盾构法具有掘进速度快、扰动小以及自动化程度高等特点,但盾构隧道管片结构承受的高围压可能会导致接缝处混凝土接触面压溃,对整个隧道的安全形成危害。对此,以新建深圳机场至大亚湾城际铁路隧道建设项目为例,采用现场检测方式,对选取... 盾构法具有掘进速度快、扰动小以及自动化程度高等特点,但盾构隧道管片结构承受的高围压可能会导致接缝处混凝土接触面压溃,对整个隧道的安全形成危害。对此,以新建深圳机场至大亚湾城际铁路隧道建设项目为例,采用现场检测方式,对选取的盾构隧道断面布置混凝土应变计,用于实时监测管片拼装完成、盾尾脱环和壁后填充三个不同过程盾构隧道管片结构的受力变化情况。研究结果表明:盾构隧道管片结构在某些阶段处于三向受压状态,处于该阶段的管片结构比较安全,同时,断面施工对管片的影响范围大约在脱环之后10环范围内。该研究结果可为其他类似工程提供参考和借鉴。 展开更多
关键词 盾构隧道 管片结构 压力
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电力盾构隧道近距离侧穿既有桥梁数值模拟分析
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作者 郑维刚 张涛 +3 位作者 吴兴林 李海龙 刘瑞 赵明应 《施工技术(中英文)》 CAS 2024年第15期102-107,共6页
以某电力盾构隧道工程为背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,得到隧道近距离变曲线侧穿时桥面和桥梁桩基位移、应力等变化规律,分析隧道侧穿的影响。研究结果表明,隧道侧穿过程中桥面和桥梁桩基水平和竖向位移均逐渐增大,且隧道... 以某电力盾构隧道工程为背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,得到隧道近距离变曲线侧穿时桥面和桥梁桩基位移、应力等变化规律,分析隧道侧穿的影响。研究结果表明,隧道侧穿过程中桥面和桥梁桩基水平和竖向位移均逐渐增大,且隧道侧穿阶段引起的位移较大,后期位移逐渐趋于稳定;盾构隧道开挖掘进造成桥梁下部围岩地层损失,靠近隧道侧土体发生非对称偏转,导致桥面整体发生不均匀竖向位移并向靠近隧道侧偏移。当盾构隧道近距离侧穿时,应选取合理的盾构掘进参数,以减小对桥面和桥梁桩基的扰动。 展开更多
关键词 隧道 盾构 侧穿 桩基 位移 应力
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