隧道顶板和侧墙受力与变形的有限元分析

隧道侧墙和顶板的受力变形容易导致其产生裂缝和漏洞,从而给隧道安全运营带来了极大的威胁。以苏州漕湖大道准快速化工程中隧道工程为例,利用有限元软件计算顶板及侧墙变形,并对侧向土压力系数、埋深、上部荷载、弹性模量等主要影响因素进行了分析。结果表明,隧道的顶板和侧墙的最大应力和变形与外部荷载呈正相关;隧道侧墙底部出现应力集中,顶部出现最大变形,当埋深为10 m,弹性模量为30 GPa时,二者分别为15.66 MPa和5.24 mm;顶板的最大变形和最大位移均发生在顶板中部,当弹性模量为30 GPa时,上部仅受埋深10 m的土压力时,顶板的最大应力和最大变形量分别为24.19 MPa和21.51 mm,其变形量较大,需要考虑提高配筋率以提升抗拉强度;隧道侧墙和顶板的应力分布和大小不随弹性模量变化,但弹性模量增加能有效降低其变形,其大小与最大变形成反比。可为隧道顶板和侧墙的受力变形研究提供数据和参考。

脊柱胸腰段应力分布与骨折相关性的三维有限元分析

目的:观察脊柱胸腰段骨折与椎体骨性结构及韧带间应力分布的相关性,探索脊柱胸腰段椎体骨折的力学机制。方法:招募8名健康男性青年志愿者,行脊柱全长X线片和CT检查排除脊柱畸形、肿瘤及骨病,对脊柱各椎体及股骨行骨密度测定排除骨质疏松。均行自T11椎体上终板至L2椎体下缘CT薄层扫描,将8名志愿者CT图像参数导入ABAQUS 2016软件中进行标准化,并进行有限元网格化构建。应用MIMICS 17.0、GEOMAGICS 15.0和PRO/ENGINEER 5.0软件处理,建立脊柱胸腰段有限元模型,测量模型相关参数,并验证模型有效性。在T11椎体上终板上加载竖直轴向载荷500N、附加扭矩10N·m模拟垂直压缩、前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转7种运动状态,使用ABAQUS软件对有限元模型7种运动状态下的应力分布特点及变化规律进行分析,观察应力分布与脊柱胸腰段骨折的相关性。结果:建立的三维有限元模型共有309583个节点和428760个单元,包括4个椎体、3个椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带等结构。7种运动状态下的数据与文献报道的数据无明显偏差,模型有效。T11~L2椎体椎弓根截面积分别为135mm^(2)、154mm^(2)、105mm^(2)、139.2mm^(2)。应力云图结果显示各运动状态下高应力区存在于椎体的松质骨、椎弓根及其周围骨皮质。在垂直压缩状况下,T12椎体所受应力最大(617.4MPa),前屈状态下T11所受应力最大(200.7MPa),后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体所受应力最大(314.2MPa、574.4MPa、626.2MPa、641.3MPa、527.1MPa),且前屈体位时椎体所能承受的应力最小,左旋转时所能承受的应力最大。垂直压缩状况下T12椎体发生骨折,前屈状态下T11发生骨折伴韧带损伤,后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体发生骨折伴韧带损伤。骨折发生时,前纵韧带在后伸、左右侧屈状态下存在高应力区,后纵韧带在前屈状态下存在高应力区,横突间韧带和棘间韧带在前屈、左右侧屈、左右旋转状态下存在高应力区。结论:在构建包括重要韧带、椎间盘等软组织结构的脊柱胸腰段三维模型中,椎体松质骨、椎弓根及其周围骨皮质、韧带均存在高应力区,不同状态下所受应力最大椎体不同,发生骨折的椎体和韧带损伤也不同;L1椎弓根截面积最小,最易发生骨折。

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。

隧道结构变形与受力特征的稳定性有限元分析

为了研究隧道结构变形与受力特征的稳定性,本文以四川某高速公路隧道施工为例,采用通用ANSYS11.0进行有限元模型搭建,通过建立的有限元模型,运用比较的方法对有无水压、排出与渗入、两种不同的断面以及不同的水压分布等内容比较,研究结果表明:水压力是造成水平和竖向位移的主要因素;水压分布不均匀是对隧道结构变形与受力特征的稳定性影响较大。

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。

三维建模及有限元分析在制盐设备研发中的应用

有限元分析在受力分析及失效分析应用广泛,在设备研发中,三维图纸的优势是可以更直观地模拟设备装配中可能存在的问题,制盐行业设备普遍存在设备研发技术性差、劳动密集型企业技术研发能力弱的问题,并且在日常设备研发中有大量模拟仿真及力学校核需求,故有限元分析应用到制盐及化工设备是相当有必要的,可极大提高设备研发效率以及缩短设备研发周期。

三维有限元法分析脊柱推拿手法的生物力学特征

背景:脊柱推拿手法作为脊柱相关疾病疗效显著的物理治疗手段,被国内外学者广泛应用并逐渐向规范化和系统化发展,其作用机制及安全性一直是医疗群体的关注热点。三维有限元法是一种对人体力学行为进行数值模拟的有效工具,通过技术分析以明确手法对脊柱结构的生物力学效应,其具有一定的研究价值及临床意义。目的:综述三维有限元法的发展历程及其在颈椎、胸腰椎、腰椎推拿手法生物力学研究中的分析流程和应用概况。方法:由第一作者以“finite element,biomechanics,spine,cervical vertebrae,thoracolumbar,lumbar vertebra,manipulation”为英文检索词,应用计算机在PubMed及Web of Science数据库检索从建库至2022年4月为止的相关文献共495篇;以“有限元分析、脊柱、颈椎、胸腰椎、腰椎、推拿、手法、生物力学”为中文检索词,应用计算机在中国知网、万方及维普数据库检索从建库至2022年4月的相关文献共593篇,根据纳入标准选择其中的80篇进行综述。结果与结论:(1)通过三维有限元法对推拿手法作用下的脊柱结构进行应力应变分析,可获得模型各部件的应力值和位移值,客观、直观和准确地反映椎体、椎间盘、韧带、肌肉、血管和神经等部件的力学效应状况,为阐释脊柱推拿手法的作用机制、提高手法操作的安全性和有效性提供有力的证据依靠,极大地推进了临床推拿手法技术的发展,拥有良好的发展潜力。(2)目前三维有限元法在脊柱推拿手法生物力学研究上已取得重要进展,脊柱模型的椎旁软组织部件模拟不断完善,颈椎和腰椎推拿手法的基础研究不断深入,推拿手法的生物力学分析由固体力学发展至流体力学。(3)但现阶段应用中仍存在着脊柱模型影像学来源和各部件材料设定数据的代表性不足,脊柱推拿手法的模拟和加载过于简单,很多胸椎推拿手法的基础研究未能开展等问题,未来研究者需要进一步完善和改进,使三维有限元法更好地满足脊柱推拿手法临床和科研的需求。

严寒地区光伏支架受力分析及优化

光伏支架作为光伏系统的重要组成部分,结构设计至关重要。为提升严寒地区光伏支架的安全性和经济性,采用有限元模拟方法对大庆市典型光伏工程进行了参数化分析和优化设计,主要探究檩条间距、立柱数量和前后立柱间距等不同结构参数对支架受力性能的影响。结果表明,支架挠度与檩条间距和立柱数量呈负相关,与前后立柱间距呈先增大后减小的趋势,临界荷载变化趋势与支架挠度变化趋势正好相反。并得出最佳优化方案:采用单块光伏板长度20%的檩条间距、斜梁水平投影60%的立柱间距、中间斜梁增加斜支撑和截面厚度2 mm的支架优化设计,此优化方案可使支架挠度降低71%。

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景:采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。目的:建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。方法:通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。结果与结论:建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6292,总节点数为10232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。

拱式渡槽结构受力性能三维有限元分析

拱式渡槽具有主拱圈主要承受轴向压力的特点而适于混凝土材料的承压性能,加之其造型美观而成为南水北调中线工程干渠左岸排水渡槽的可选结构形式。采用三维有限元方法,结合南水北调中线工程河北段干渠左岸排水渡槽结构设计,研究分析了各种荷载工况下渡槽主拱、矩形槽身纵墙和纵向大梁及底板等控制截面的应力分布规律,为工程设计提供了计算依据。

三维有限元分析不同材料不同方法修复离体牙缺损模型的应力分布

背景:如何最大限度地保留根管治疗后的牙体组织,并能够保证修复后的强度是目前的研究热点。目的:使用有限元法分析不同方式修复离体牙缺损模型的应力分布情况。方法:收集北京市海淀医院口腔科因慢性牙周炎无法保留而拔除的上颌第一磨牙12颗,根管治疗后制备离体牙缺损模型,以钴铬合金、纯钛金属、二氧化锆、E.max全瓷为修复材料,每种材料分别进行嵌体、高嵌体、桩核冠3种修复方式。通过MicroCT扫描上颌第一磨牙修复模型,使用图像处理软件Mimics17.0及Geomegic Studio 2013重建牙体及修复体三维数字模型,采用有限元分析软件进行力学模拟,力加载方式设为:8点90°加载、3点90°加载、3点90°加载、3点0°加载。结果与结论:在各载荷条件下,桩冠组修复体边缘、预备体肩台、剩余牙本质颈部及桩核中部出现应力集中区;在各载荷条件下,嵌体组釉质的加载点出现应力集中区,并有将应力沿牙釉质传到至颈部的趋势,嵌体和预备体相对的龈壁和底面及二者移行处也出现应力集中区;在各载荷条件下,高嵌体组高嵌体与牙釉质接触处出现应力集中,预备体龈壁和底面及二者移行处,以及相对应的高嵌体髓腔内部分也出现应力集中的情况,但应力分布更为均匀;结果表明在上颌磨牙大面积缺损的修复方式中,高嵌体具有适用性和优势性。

注水式城市应急防洪箱挡水受力特性分析

注水式城市应急防洪箱是一种高分子材质的防汛应急抢险新装备,采用理论分析和有限元计算结合的方法,对防洪箱挡水过程中的受力稳定条件以及箱体的应力、应变特性进行分析,结果表明:由防洪箱在挡水过程中的受力特性可知,在同一注水条件的不同挡水高度下,防洪箱的最大应力和变形均发生在迎水面,其中最大应力在迎水面底部,最大变形发生在迎水面中部。

新疆克拉玛依市供水系统工程高压岔管群体型结构整体受力计算三维有限元优化分析

针对克拉玛依市中心城区供水系统工程的高压力水头、庞大且复杂的供水管线系统及超越规范的结构形式等诸多设计难点,通过建立贴边岔管群的整体受力模型进行三维有限元分析,找出岔管群中最薄弱钢岔管,使其应力满足要求,再逐级量化每个岔口应力,获得了岔管群中每个钢岔管在运行期时所处应力状态。结果表明,通过21组方案优化#1~#5钢岔管群结构尺寸,用最少的方案确定出每个钢岔管的最优体型;#5钢岔管群中的③支管处的补强板为最不利点;由于钢岔管补强板焊缝处属于变截面段,管壁刚度差异明显,导致补强板外边缘焊缝处的局部拉应力过大,需严格把关焊缝质量关键,尽量避免产生这类局部拉应力过大现象。

山核桃坚果有限元模型建立及受力分析

针对山核桃果壳完全破裂所需的变形量大于壳仁间隙,用一般的机械挤压方法破壳会造成大量碎仁等问题,利用Pro/E软件建立了山核桃的几何模型,采用有限元分析方法构建了山核桃破壳受力模型,并对山核桃进行了受力模拟与分析。根据不同受力方向和不同载荷下山核桃的应力应变分布情况,确定山核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳施力方式,为山核桃破壳取仁设备的研制提供依据。

全腰椎三维有限元模型的构建及仰卧位屈曲模式下椎间盘蠕变的生物力学分析

有限元分析（finite element analysis,FEA）作为生物力学研究方法之一,已经广泛用于腰椎生物力学分析研究。以往的建模多集中在运动节段的模型建立,无法体现腰椎整体运动时各节段相互关系,椎间盘的建立以后期软件制作为主,本研究通过椎体骨及椎间盘不同的CT值来区分和获取腰椎全节段（含椎间盘）数据,建立L1至S1全腰椎三维有限元模型,使得模型工况更接近客观结构。

倾斜荷载下能量桩受力变形特性三维有限元分析

基于已有试验和数值分析,针对倾斜荷载下能量桩的受力变形特性,通过优选桩-土材料参数、边界条件、分析步及网格类型等,实现了考虑热-力耦合作用的能量桩三维有限元模拟。进而通过与模型试验及二维数值所得桩顶沉降的对比分析,验证了三维有限元建模方法的合理性。最终通过改变竖向荷载、水平荷载及温差3个主要影响因素,探讨了桩顶沉降、桩侧摩阻力、水平位移及桩身弯矩变化规律,并提出相应的能量桩工程设计建议。研究表明,当温差ΔT>0℃时,桩体将产生热膨胀,甚至出现向上的位移,但其沉降-荷载曲线将随着竖向荷载的增大而逐渐趋近ΔT=0℃工况,桩侧摩阻力在桩身上、中部为负,在桩身下部为正,水平位移及桩身弯矩均大于ΔT=0℃工况;当ΔT<0℃时,桩身上、中部桩侧摩阻力为正,下部桩侧摩阻力为负,桩顶水平位移有所增大,但其原因不同于ΔT>0℃工况,桩身弯矩小于ΔT=0℃工况。

基于三维实体有限元模型的谐波齿轮装配状态应力分析

为准确地反映谐波柔轮的齿廓及齿根的应力状态,提出了基于真实齿廓信息的柔轮三维实体的建模方法.以渐开线齿形为例,利用APDL语言建立包括渐开线齿廓、齿厚和齿根倒圆等参数的实体模型.定义波发生器与柔轮筒内表面间接触,求解获得波发生器作用下的柔轮应力,与基于圆环理论的理论值比较分析;为更真实反映柔轮在装配状态下的应力分布,构建柔轮三维实体模型,求解柔轮应力.通过路径定义,提取与理论计算截面相对应的中截面上的应力,与平面齿圈的有限元结果和理论值比较分析.研究发现:平面齿圈有限元实体模型中,沿周向应力波动均值与理论值基本吻合,验证了文中的有限元实体建模方法的有效性.三维实体模型周向应力比平面齿圈周向应力大,且最大周向应力发生在顶层.

道路工程钢筋混凝土圆管涵实际工况下受力特征的三维有限元分析

建立内径为1.5m的钢筋混凝土圆管涵三维有限元模型,分析其在车辆荷载作用下内圈钢筋、外圈钢筋、混凝土内壁、混凝土外壁四处位置的主应力分布。得到的主要结论如下:(1)管涵顶部内圈钢筋、混凝土内壁受拉,外圈钢筋、混凝土外壁受压,随着位置下移,拉压应力转换;(2)外圈钢筋及涵洞外壁在底部约束开始处出现压胀形突变;(3)圆管涵临界受荷截面位置位于涵洞顶部。

尺骨鹰嘴三维有限元模型的力学分析

为探讨尺骨鹰嘴骨折发生的机理 ,在计算机上进行尺骨鹰嘴三维有限元造模和力学分析 ,结果表明尺骨鹰嘴骨折是由于肱二头肌、肱三头肌的肌力和肘关节的反作用力共同形成的剪切弯曲应力所致。

冲击压实旧水泥混凝土路面结构受力三维有限元分析

结合旧水泥混凝土路面修复工程中所采用的新型冲击压实技术,研究冲击过程中水泥混凝土路面板的变形 及应力分布特征,以及路面板的破坏发展趋势;分析板下基层的受力状态,探讨冲压荷载在土基中的传递深度及其 对路基的压实作用等问题。研究结果可为冲击压实机理分析及现场施工提供有关理论依据。