3D打印个性化正畸装置对单根牙垂直移动的三维有限元分析

背景:基于牙齿垂直移动原理,通过数字化设计结合3D打印制作个性化正畸装置,可使个性化正畸装置与单个切牙形成支抗系统。借助微种植体绝对支抗作用可对单根牙在三维方向上进行精准控制。目的:基于生物力学原理设计了牙位11、12、21、22压低移动与伸长移动的个性化正畸装置,通过三维有限元法分析个性化正畸装置的安全性与其对牙齿的移动作用。方法:应用Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks和Ansys Workbench软件分别建立了上颌前牙区(牙位11、12、21、22)牙槽骨-牙周膜-上颌切牙-个性化悬臂微种植体-连接板-个性化托槽的三维有限元模型,每个牙位分别设置个性化压低移动与伸长移动正畸装置,加载300 g拉力或推力,分析个性化正畸装置各部件应力水平,计算牙齿位移与牙周膜应力分布情况。结果与结论:①个性化压低移动正畸装置受到的最大等效应力为162.90 MPa,个性化伸长移动正畸装置受到的最大等效应力239.57 MPa,二者的最大等效应力均位于个性化托槽加力附件的垂直部分,个性化正畸装置各部件所受等效应力均在屈服强度内,均具有良好的安全性;②在个性化正畸装置作用下,牙齿初始位移呈现整体压低或伸长移动的趋势,垂直方向上的位移远远超过在水平方向和矢状方向上的位移;牙周膜根尖或颈部位置出现等效应力峰值,在根尖区牙周膜出现等效应力集中区域;③结果显示,个性化正畸装置可以使牙位11、12、21、22近似达到压低移动或伸长移动的目的,初步证实了个性化垂直移动正畸装置的有效性。

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。

基于MeshPy的3DGIS与三维有限元数值计算无缝耦合方法

3DGIS与有限元数值计算耦合方法及其系统开发,是目前GIS与岩土工程交叉学科的重要研究内容。通过对MeshPy、GRASSGIS、vtk Python以及Scipy等多个开源库的探索与编程实践,以Python为"黏合剂",构建了GIS与三维有限元数值计算无缝耦合的平台框架。在满足几何形状、Delaunay特性、角度、面积以及体积等约束条件下,通过MeshPy包含的Triangle与TetGen库获得能用于有限元数值计算的三角形与四面体网格,并阐述了限定Delaunay三角化(CDT)节点插入算法与四面体网格质量控制方法。以排土场为例,针对CDT网格建立的地表模型,结合vtkPython封装的模块与算法,提出了根据节点分布位置综合采用线性与三角形重心坐标的插值方法,有效消除了其他插值手段导致的部分地表高程畸变的现象。借助Scipy提供的矩阵运算模块,开发了邓肯-张E-?模型,给出了采用中点增量法进行非线性求解的算法,并通过对室内大型三轴剪切试验的数值模拟验证了程序的正确性。最后,对准东露天煤矿北部排土场堆排过程开展三维有限元数值计算,结合GRASSGIS对排弃物料高度与厚度空间分布规律的分析结果,对排土场边坡位移变化规律进行初步研究,结果表明,排土场垂直位移与排弃料高度及厚度相关,而最大水平位移则出现在各台阶坡体边缘位置,与实际情况一致。

Al_2O_(3sf)/LY12复合材料液固挤压成形中温度场演变的三维有限元分析

建立了液固挤压Al_2O_(3sf)/LY12复合材料三维非稳态传热过程的有限元数学模型,并对其进行了三维热传导数值模拟,直观地显示出材料内部和表面在不同时刻、不同位置的三维温度场分布及其演变情况.模拟结果表明,坯料内部和表面的温度场在保压过程中分布均匀,而在挤压过程中则随时间推移而剧烈波动,从而造成坯料表面局部过热,由此导致制件表面龟裂现象的发生.模拟结果与实验结果基本吻合,为合理确定工艺参数和保证成形质量奠定了理论基础.

仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网设计及三维有限元分析

背景:蜘蛛网结构具有内在的能量耗散机制,使其能承受较大的集中负荷,将其应用到3D打印个性化钛网设计上来减少由于应力集中引起的局部断裂。目的:研究新型仿生蛛网孔隙结构3D打印个性化钛网的设计方法,并应用三维有限元法对其进行生物力学分析。方法:应用锥形束CT、Mimics、Geomagic Wrap、3-matic Research和ANSYS Workbench等软件分别建立仿生蛛网孔隙结构、圆孔结构、方孔结构、六边形孔结构且厚度均为0.3 mm的4组个性化钛网有限元模型,将100 N的载荷加载在牙槽嵴顶对应的钛网上,进行有限元分析。结果与结论:①方孔、圆孔、六边形孔、仿生蛛网孔隙结构个性化钛网最大位移值分别为0.064,0.103,0.107,0.070 mm,等效应力最大分别为1633.5,1611.3,2131.2,1104.8 MPa;②各组固位螺钉在钛网受力后应力分布相似,主要集中在螺钉颈部与钛网相接触部位,方孔、圆孔、六边形孔、仿生蛛网孔隙结构个性化钛网组固位螺钉最大等效应力值分别为149.13,200.32,178.73,163.30 MPa,各组固位螺钉所受到的应力处于安全范围内;③结果显示,仿生蛛网孔隙结构个性化钛网能很好地分散钛网应力,减少应力集中现象;同时,0.3 mm厚度仿生蛛网孔隙结构个性化钛网可以满足大面积颌骨缺损重建机械强度的要求。

新型颈椎3D打印多孔椎间融合器的三维有限元分析

背景:颈椎前路椎间盘切除减压融合内固定已成为目前临床上常用的手术,但是传统融合器的上下弧度难以与上下终板保持完全一致,容易引起椎间融合器沉降等一系列相关并发症,作者所在课题组研究出与上下终板保持一致的新型颈椎3D打印多孔椎间融合器。目的:通过三维有限元分析法评价新型颈椎3D打印多孔椎间融合器的力学特点,为临床应用和进一步改进提供相应理论依据。方法:建立颈椎前路椎间盘切除减压融合内固定的三维有限元模型,分别采用传统颈椎椎间融合器以及新型颈椎3D打印多孔椎间融合器进行重建,并在前屈后伸、左右侧屈及左右旋转6个工况下,施加50 N预载荷以及1.0 N·m的运动附加弯矩。观察相应的椎体位移峰值,以及板钉、融合器和上下终板的Von-Mises应力峰值情况。结果与结论:①结合三维有限元分析发现,新型颈椎3D打印多孔椎间融合器组在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转这6种工况下的椎体位移峰值、融合器及上下终板的Von-Mises应力峰值均小于传统融合器组;②而板钉的应力峰值除在后伸及右旋这2个工况下,新型颈椎3D打印多孔椎间融合器组大于传统融合器组;其他4个工况下新型颈椎3D打印多孔椎间融合器组的板钉应力峰值均小于传统融合器组;③提示相对于传统融合器,应用新型颈椎3D打印多孔椎间融合器能避免上下终板的应力集中,提高固定节段的稳定性,一定程度上可减少内植物下沉的风险。

3D打印金属垫块修复全膝关节置换(TKA)术中胫骨平台骨缺损的三维有限元分析

目的初步探讨3D打印金属垫块在全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)术中重建胫骨平台缺损的可行性。方法在尸体标本上进行内侧胫骨平台骨缺损造模(AORIⅡ型),作为垫块组,另一侧膝关节不做处理,作为对照组;双侧膝关节经CT扫描后利用Mimics等有限元分析软件,重建骨缺损模型并设计金属垫块,在SolidWorks软件中与胫骨和胫骨平台模块进行装配。通过模拟人体行走时的受力情况,在胫骨平台上施加2000 N的纵向应力,绘制Mises应力云图和Logarithmic应变云图,分析两组模型的胫骨平台上的应力分布;在三维模型的各模块上选择2个观察点,通过分析其受力前后在三维空间中的位移和转角,计算各部分组件的位移和旋转,从而探讨其初始稳定性。结果垫块组的胫骨平台承力区域较对照组小,应力增大,并且应力变化没有对照组平缓。其中,垫块组胫骨平台上、下表面应力集中区域的应力代表值约为0.65和0.75 MPa;对照组则为0.71和0.95 MPa。两组应力较大值的集中区域相同。垫块组中胫骨和胫骨平台在3个方向的位移均略小于对照组;垫块组的胫骨平台和胫骨的内/外翻角度稍大,而前/后倾及内外旋均小于对照组,两组模型中3D金属块本身的位移和旋转角度均非常小,且在安全范围内。结论3D打印金属垫块对于TKA术中胫骨平台骨缺损的修复具有良好的应用前景。

3D打印结合三维有限元分析在骨外科学PBL临床教学中的应用研究

利用现代数字化3D打印技术及三维有限元分析技术,结合以学生为中心,以问题为导向的学习教学方法在骨外科教学中的应用,将现代化数字技术引入临床教学,为临床教学提供一种新思路、新方法。

3D打印定制化钛缺损替代物修复的下颌骨在3种加载方式下三维有限元应力分析

目的分析3D打印定制化钛缺损替代物修复的下颌骨在不同加载状态下的应力分布情况及特点。方法螺旋CT扫描正常下颌骨,CAD软件模拟左侧下颌骨体部部分缺损,设计定制化钛缺损替代物加以修复,模拟不同咬合状态并进行有限元建模和应力分析。结果成功建立替代物修复的下颌骨有限元模型。分析结果表明:模拟正中、前伸、侧方咬合时,应力在下颌骨不同部位呈不均匀分布,替代物能有效传导应力,在双侧髁突前斜面应力分布呈现明显不对称,替代物的体部和固定板交界处出现较明显的应力集中。结论下颌骨在3种工况下的应力分布基本一致,但髁突受力具有较明显差异性,实验结果可以作为以后优化设计定制化替代物的借鉴和参考。

被动排桩弯曲性状的三维有限元分析

利用三维非线性弹性有限元方法,研究了承受邻近地面超载作用时被动排桩的弯曲性状,也研究了排桩间距变化、地基软弱下卧层以及超载与排桩之间的距离对桩身弯曲性状的影响,揭示了邻近超载作用下被动排桩桩身弯矩和挠度的变化规律。研究表明,在邻近超载作用下桩身最大正弯矩出现在0.55倍桩长处,桩顶部也产生较大的负弯矩,随着超载的增大,负弯矩由增大变为减小,桩身正弯矩增大,当超载超过一定值时,桩身正弯矩加速增长;桩身的弯矩随着桩距的增大而增大;当地基中存在软弱下卧层时,桩身的负弯矩减小,而正弯矩明显增大。

高尔夫A3型轿车行李箱盖有限元计算与方案优化设计

在对德国大众汽车公司生产的高尔夫Ａ３型轿车行李箱盖的使用材料性能进行实验研究的基础上，建立了三维数学模型，利用Ｉ．ｄｅａｓ工程软件对其有限元计算，并通过实验对结果进行验证，最后提出了高尔夫Ａ３车行李箱盖的优化方案．

无托槽隐形矫治器联合微种植钉整体内收上前牙的三维有限元研究

目的:探讨隐形矫治器联合微种植钉整体内收上前牙时不同加力方式下上颌前后牙生物力学效应。方法:采集患者上颌骨及上牙列的CBCT数据,采用逆向工程方法建立拔除第一前磨牙的隐形矫治器联合微种植钉整体内收前牙的三维有限元模型,分析①矫治器施力、②矫治器施力+1. 47 N力牵引矫治器、③矫治器施力+1. 47 N力牵引尖牙工况下前后牙的初始位移。结果:3种工况条件下矢状方向,中切牙冠根位移差分别为1. 12E-02 mm、1. 29E-02 mm、9. 62E-03 mm;第一磨牙牙冠近移量分别为-2.49E-02 mm、-2.09E-02 mm、-2.00E-02 mm;垂直方向,中切牙牙冠伸长量分别为1. 77E-03 mm、2. 93E-03 mm、6. 53E-04 mm。结论:工况③更有利于切牙转矩的控制及后牙支抗保护,也更有利于切牙的垂直向控制。

5种不同张口位的颞下颌关节区三维有限元模型的建立

目的:建立5种不同张口位TMJ三维有限元模型。方法:应用斜矢状3D/WATS薄层MR技术和Matlab 科学计算软件,结合Ansys三维有限元专用软件对22×5层,层厚为1mm的TMJMR影像进行分析处理。结果:建 立了更为准确的5种不同张口位的TMJ三维有限元模型。结论:3D/WATS薄层斜矢状位MR技术的应用使得关 节区软组织的显影更为清楚,建立更为精确的TMJ三维有限元模型。Matlab科学计算软件的高效识别,提高了建 模效率,同时利用该软件模拟0.2mm厚的关节软骨,提高了模型的相似性。

有限元法分析Lenke 3型青少年特发性脊柱侧凸胸-腰椎的应力及位移变化

背景:青少年特发性脊柱侧凸导致脊柱结构发生改变,侧凸脊柱的应力也会发生相应变化,胸、腰椎在整个脊柱中承担了大部分的应力负荷,所以此次研究模拟分析侧凸脊柱胸-腰椎不同工况下的生物力学特点,对该疾病的病因研究非常有意义。目的:构建青少年特发性脊柱侧凸Lenke 3型三维数字化模型,模拟分析侧弯脊柱在6种工况条件下应力及位移变化特征。方法:选择特发性脊柱侧凸双主弯畸形青少年患者1例进行脊柱CT扫描,将扫描后CT数据以Dicom格式导入Mimics软件,根据CT灰度区分相应组织并导出为stl或者cloud点云格式,再进行去噪、铺面、平滑等处理,然后将处理好的图像传入Hypermesh软件中进行网格划分,对椎体及周围组织赋予特定的材料属性,建立青少年特发性脊柱侧凸的三维有限元模型,并模拟脊柱韧带的作用。用Abaqus&Ansys软件进行力学分析。结果与结论:①在做屈伸、侧屈和旋转运动时,脊椎侧弯明显处(即T_(6)、T_(12)椎体处)、胸-腰弯交界段、腰椎段椎体应力较大,且小关节及椎弓根部位的应力相对于其他部位较大;胸弯顶椎到端椎应力逐渐减小;②在侧屈和旋转运动时,脊柱凹处部位(T_(6-7)处于左缘、T_(10-11)、L_(3-4)处于右缘)的应力较大;③成功建立了Lenke 3型特发性脊柱侧凸患者的胸-腰椎三维有限元模型,模拟结果表明在不同工况条件下,特发性脊柱侧凸椎体及椎间盘的不同位置受力及位移有相应变化,研究结果可为脊柱侧凸三维矫形提供全域性和区域性的量化指标,为临床器械矫形及支具治疗提供数字化模型。

ITER部件转运车3自由度并联平台设计与有限元分析

针对ITER部件转运车的特殊需求,设计和分析了用于车厢姿态调整的3自由度并联平台。该平台由运动平台、固定平台、球形关节、虎克铰、连杆等组成,具有刚度大,结构稳定、承载能力强、误差小、位姿精度高等优点。论文详细论述了3自由度并联平台的机构设计、自由度计算和关键部件有限元分析。分析结果表明,该3自由度并联平台满足ITER部件转运车车厢对接需求。

固定式下颌唇挡功能矫治器三维有限元分析

目的:构建固定式下颌唇挡功能矫治器模型并进行三维有限元分析,阐释下颌唇挡矫治器的生物力学原理。方法:通过构建高、中、低不同位置固定式下颌唇挡矫治器的有限元模型,模拟临床上矫治器的受力情况,分析牙体牙弓的应力分布及位移情况。结果:相同载荷条件下,3组模型的应力分布情况相似,低位唇挡对第一磨牙产生的应力值最大,牙冠向远中位移量也最大。在阻断唇肌压力时,下颌切牙牙冠在舌肌的作用下产生明显的唇向倾斜趋势。结论:唇挡位置越低,对磨牙的应力越大,下颌磨牙向远中倾斜的趋势越明显。

逆向工程技术建立Tip-Edge矫治系统下颌尖牙及牙周组织三维有限元模型

目的:结合逆向工程技术建立带Tip-Edge托槽的下颌尖牙及牙周组织有限元模型并进行初步有限元力学分析。方法:采用3DSS(three dimentional sensing system)结构光扫描系统采集右侧下颌尖牙数据,并应用逆向工程(RE:Reverse Engineering)中常用的Geomagic10软件生成尖牙实体模型,再使用Pro/ENGINEER实体建模软件建立Tip-Edge托槽实体模型,最后利用Ansys10.0有限元分析软件建立有限元模型并进行分析。结果:建立了带有Tip-Edge托槽的下颌尖牙及牙周组织有限元实体模型,并进行了初步的Tip-Edge矫治系统中右下颌尖牙的有限元力学分析。结论:结合逆向工程的建模方法快捷、准确、有效,所建立的模型与临床情况接近,能够满足各种生物力学分析的要求。

金属塑性成形三维有限元数值模拟技术的应用

文章阐述了三维有限元数值模拟技术在金属塑性成形中的应用和发展趋势,通过实例介绍了DEFORM3D数值模拟软件的应用及模拟中的注意事项,有助于更深入地研究、推广和应用三维有限元数值模拟技术。

引桥地基沉降的三维有限元分析

FEM simulation is conducted for the foundation settlement of backfill slope of high bridge approach. On the basis of all kinds of stress contour sketches and data obtained from the site, a simple mechanical model is put forward toe xplain the reason of the settlement occurring after construction of bridge approach backfill slope.

建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析

背景:应用有限元分析的方法构建人体骨骼三维立体模型及设计骨外科医疗器械更为精准和快捷。目的:根据锁骨模型建立锁骨锁定接骨板模型,分析在折弯和扭转条件下,评估锁定接骨板有限元模型的应力分布情况。方法:采用64排螺旋CT对青年成年健康男性胸部进行平扫,得到该男性锁骨的二维图像数据,运用Mimics10.0软件将所得数据分析、建立锁骨三维有限元模型,根据锁骨模型运用UG软件建立锁骨锁定接骨板模型。利用abaqus软件评估锁定接骨板分别向下给予200 N的力进行折弯及200 N·mm进行轴向扭转,模拟锁骨锁定钛板的受力情况,进一步对其应力分布进行分析。结果与结论:根据CT扫描原始数据构建的锁骨钛合金接骨板的三维实体模型,与骨的贴合性良好,此模型可通过3D打印技术得到适合单个个体的个性化接骨板。有限元分析结果基本可以模拟接骨板的实际受力情况。直型接骨板和"S"型接骨板在侧方折弯及轴向扭转受力情况下,得出7孔钛板的最大应力分布位于中心孔正中。实际手术操作中,锁骨骨折断端与旷置锁定孔正中存在应力叠加,钛板放置若能避开该应力集中处,可有效避免植入后断板发生,为临床实际操作提供理论指导,并为之后对其他类型钛质接骨板的生物力学分析提供了参考以及技术路线。