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。

基于有限差分法深基坑支护模拟分析

水利工程施工中,深基坑开挖是重要的施工步骤,开挖过程中容易引起地表沉降、地下连续墙和基坑坍塌等一系列风险,因此合理评估深基坑开挖项目的安全性十分重要。以某深基坑项目为例,采用最新的Plaxis 3D软件进行建模分析,对比分析了不同开挖工况下基坑渗流、地下连续墙变形以及地表沉降规律,研究成果可为相关工程提供参考。

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。

ADI＋内推法：3D傍轴波方程有限差分法的精确解

为3D地震偏移傍轴波方程开发了一种精确的有限差分法解。因为偏移问题中的变数是复值而不是实数，其高阶空间导数的虚数部分不可忽略，所以常规偏移使用的变方向隐合(ADI)方案会产生误差。通过下述方法保护3D傍轴波外推器的精度：①保留这些高阶项，使它在常规偏移中不产生视方位各向异常；②向下外推时滤除非物理损耗波。精确解的实施包括两个步骤。

基于三维有限差分法的水库边坡稳定性研究

水库边坡倾倒变形是常见的水库工程地质问题,在蓄水后倾倒变形的进一步发展将导致边坡的整体破坏,为研究边坡在蓄水条件下的整体位移及应力分布特征,应用有限差分法对边坡进行稳定性分析,评价了边坡在蓄水条件下的整体稳定性,为水库的建设及运营安全提供参考。

有限差分法与极限平衡法在某滑坡稳定性研究中的应用

基于云南某水电站滑坡的地质勘察及设计资料,通过有限差分和极限平衡2种方法对滑坡进行对比分析,达到2种方法的优势互补,客观模拟了该滑坡变形特征及潜在破坏情况,为边坡开挖设计及滑坡治理提供了科学依据与技术指导。

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。

基于FLAC3D的某开裂防洪挡土墙三维空间状况分析及建议

在水利工程建设中,水工挡土墙有相应的设计要求,但针对较为复杂、因素较多的项目,时常出现考虑不周的问题。本文通过对某防洪挡土墙出现的表面开裂问题进行裂缝分析,利用FLAC3D有限元分析法进行软件建模计算。从计算结果可以看出,由于挡土墙墙身与衡台连接处存在拉应力区,浆砌石抗拉能力较弱,未采取有效的构造设计措施,当此处浆砌石抗拉强度超过了施工荷载、填土荷载、水压力等产生的拉应力时,便出现裂缝。这也是类似项目裂缝形成的主要原因,因此设计时应加强墙身与衡台连接处抗拉强度,多布置几层钢筋网,基础前端下均匀设置抗滑桩,保证其连续性与整体性。

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。

用FLAC-3D进行土质高边坡稳定性分析

利用FLAC3D的基本原理,对昆明东支线两面寺(FD2)土质高边坡的稳定性进行了模拟和分析,并与简化毕肖普法的计算结果进行了相互验证,结果表明:FLAC3D是边坡稳定性分析的一种有效工具,在考虑8°地震烈度的条件下,该边坡的设计坡率合理,边坡处于稳定状态。

FLAC-3D在深凹边坡形状优化中的应用

运用弹性力学的空间分析方法,推导出金堆城钼业公司小北露天矿深凹边坡的合理形状,它比原设计方案少剥离了大量的废石,然后用FLAC-3D软件进行数值方法模拟计算,证明了其更有利于边坡的稳定。

基于FLAC^(3D)的调压井开挖三维应力应变分析

采用有限差分法大型商用软件FLAC3D对某水电站调压井井筒的开挖过程进行三维非线性模拟,采用三维弹塑性本构模型,构建了调压井的三维计算数值模型,准确模拟边坡坡体结构、初始地应力、施工开挖过程等,并采用FLAC3D中的锚杆单元模拟调压井开挖时的锚固措施,分析锚杆布置的合理性与安全性,根据计算结果分析调压井所处边坡区域的岩体在开挖施工期及运行期典型工况下的应力和变形状况,对调压井的整体、局部稳定性进行了评价分析。

基于Unity3D的照明电路三维虚拟实验系统设计与实现

当前虚拟实验系统多以"原理、过程、现象"的演示居多,缺乏智能交互和反馈;为了使虚拟实验系统具有更智能的交互反馈和用户体验,以Unity3D游戏引擎为开发工具,使用有限状态机和智能诊断具技术,开发具有"虚拟性"、"安全性"、"仿真性"、"智能性"等特征的照明电路虚拟实验系统,为高校构建沉浸感强、用户体验好但开发成本低廉、符合高校实际需要的三维虚拟实验系统提供一种可行解决方案。

基于差分法的地下结构动力响应分析

本文基于三维快速拉格朗日有限差分计算程序FLAC3D对地下结构在地震荷载作用下的动力响应做了分析。经过模型建立和动力计算可以看出,在地震作用下,地下结构产生很大的位移,对于结构的稳定影响很大,在开挖地下结构时的衬砌保护设计要做慎重的考虑。

3D打印指骨骨折支具的研究

目的研究一种符合人体手部生物力学的个性化、不等刚度的弹性支具。方法临床获取一例24岁女性拇指指骨骨折CT数据,通过融合医学影像三维重建技术、计算机辅助设计技术、有限元分析及3D打印技术,获得本研究的指骨骨折支具。结果有限元分析获取了支具的确切生物力学性能指标,即支具1 cm^2的外表面上可承受49 N的外力作用而不会再次对骨折部位造成伤害。采用线状TPU材料快速成型指骨骨折支具,并获得打印机最优打印参数。结论该支具不仅匹配患指形状,还匹配骨折部位,实现了精确固定。此外,该支具不但具有确切的生物力学性能指标,还具有透气、穿戴舒适、美观等优势,解决了石膏固定透气性差、高分子绷带固定不牢靠、夹板固定压迫边缘皮肤的缺陷。

爆炸荷载作用下岩体振动特性的DE-FLAC^(3D)数值模拟方法

针对岩体爆炸数值模拟中爆炸荷载参数与岩体振动阻尼参数等计算参数难以确定的问题,将具有收敛速度快、易于实现和全局寻优能力强等优点的差分进化算法(differential evolution,DE)算法融入三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D)岩土工程数值计算程序,提出了爆炸荷载作用下岩体振动特性的DE-FLAC3D数值模拟方法.该方法从爆炸荷载参数和岩体振动阻尼参数的随机值出发,以岩体质点振动速度随时间变化过程的数值计算值与现场实测值的误差作为适应度,利用DE算法规则实现爆炸荷载参数和岩体振动阻尼参数耦合模式的合理进化,进而实现计算参数的快速自适应辨识.龙滩水电站地下厂房爆炸开挖振动试验数值模拟研究结果表明,该方法是可行的,显著提高了岩体爆炸效应数值模拟结果的精度.

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。

FLAC^(3D)及其在地下空间开挖分析中的一些问题

首先阐述了FLAC3D的基本原理、主要特点和适用范围,然后根据使用该程序的具体实践,给出了在地下空间开挖分析中处理特殊问题的经验,提出了针对程序改进的一些想法和建议。