SMW工法桩施工过程中变形监测与三维有限元数值模型的建立

SMW工法桩是基坑工程中的一种组合支护形式,兼具挡土与止水的作用,具有造价低、施工便捷、对基坑周边影响较小等优势。依托广东江门某基坑工程,通过现场监测和建立三维有限元模型数值模拟的方法对SMW工法桩施工过程中的变形进行研究。结果表明:围护结构桩顶水平位移的模拟值与实测值两者之差在3 mm以内,桩顶竖向位移模拟值与实测值两者之差在1 mm以内;实测数据与数值模拟结果基本拟合,所建立的三维有限元数值模型与实际工程结构较为相符,在施工过程中将现场监测与数值模拟相结合,以确保工程施工的质量与安全。

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。

基于三维有限元法的既有沉降下水电站厂房结构安全性评估研究

水电站长期运行过程中,周围工作环境改变引起的地基不均匀沉降对水电站结构的安全造成了很大影响。以某水电站工程为例,利用Midas/GTS NX软件建立三维有限元模型。首先,结合实际监测数据,采用强制位移法对厂房由于地层塌陷引起的不均匀沉降进行模拟。其次,在该既有沉降的情况下,模拟不同工况水电站厂房结构的应力变化情况,并对危险构件进行安全评估。最后,以不均匀沉降作为预警指标,提出安全监测控制方法。研究结果表明:通过强制位移法修正的三维有限元模型可以满足水电站在不均匀沉降下的安全性评估需求,可为水电站结构安全性分析与监测提供参考。

种植体支抗辅助正畸磨牙应力变化的三维有限元模型效果研究

目的:建立种植体支抗辅助正畸磨牙应力变化的三维有限元模型,分析种植体-骨界面的生物力学特征变化。方法:采用ANSYS软件建模,选择纯钛种植体,将其种植到牙槽骨之后,外留3 mm,周围骨皮质厚度1 mm,皮质连续均匀;下为连续骨松质。选择施加200 g水平作用力,观察30°、45°、60°、75°、90°共计5个角度下的Von-Mises综合应力及位移(平均位移和峰值位移)。结果:在200 g水平作用力下,随倾斜角度增加,Von-Mises综合应力递减,平均位移也逐渐减小。在30°、45°、60°、75°、90°的Von-Mises综合应力分别为1.3184、1.1834、0.9384、0.7341、0.5184 Mpa;平均位移分别为6.1934、5.0413、3.9475、3.2851、2.4852μm。在200 g水平作用力下,不同角度之间的位移峰值均较小,最大不超过6.9453μm。结论:磨牙种植体在200 g水平力的作用下能够保持稳定,具有一定的稳定性,用于磨牙的正畸效果较好。

人体足主要骨-韧带结构三维有限元模型的建立及分析

目的:建立正常人体足主要骨-韧带结构的三维有限元模型,为足部生物力学研究提供数字平台。材料和方法:获取正常青壮年男性的左足螺旋CT扫描图像,应用逆向工程原理,通过处理序列螺旋CT图片建立足部骨结构的三维几何模型,并对其进行有限元网格划分。足部关节软骨、韧带、肌腱和足底软组织通过解剖和文献数据模拟。同时,对7具新鲜尸体标本足作生物力学测试,分析计算有限元模型及生物力学测试中足部骨骼的应力、位移变化情况。结果:建立了包括170426个节点、118342个单元的关节、骨、软骨、韧带和足底软组织在内的正常人体左足骨骼及韧带结构的三维有限元模型,较客观地反映了人体足的解剖结构和力学特性。与新鲜尸体标本的生物力学测试结果比较,位移变化有相同趋势。结论:运用逆向工程原理可有效构建人体足的三维几何模型,在此基础上基于解剖和离体标本实验结果构建其生物力学有限元模型,可用于足部生物力学变化规律的可视化分析。

利用薄层CT技术和Matlab软件辅助建立下颌骨三维有限元模型

目的 :寻求一种更为快捷、精确的全牙列下颌骨三维有限元模型建立方法。方法 :应用薄层CT技术和Matlab软件 ,结合Ansys三维有限元专用软件对 10 6层层厚为 1mm的CT断层影像进行分析处理。结果 :建立了更为精确、应用更为广泛的包含全牙列的下颌骨三维有限元模型。使用Matlab开发一种专门用于BMP图片识别的软件 ,并将所获取数据直接写入Ansys三维有限元软件 ,大大提高了建模效率。结论 :薄层CT技术的应用使得有限元模型的建立更为精确 ,同时Matlab软件的高效识别 ,极大程度提高了建模效率 ,适用于口腔医师对有限元模型的前期处理。

应用Mimics和HyperMesh软件建立人体下颌骨三维有限元模型

目的:探讨一种快速、精确的正常人下颌骨三维有限元建模方法。方法:对1名牙列完整、咬合关系正常的男性志愿者进行颌骨螺旋CT扫描,将获取的Dicom格式数据在Mimics 10.01软件中进行完整下颌骨3D重建,将所得的下颌骨三维几何模型转换成iges格式后,导入HyperMesh软件中完成网格划分及对材料属性进行赋值,最后导入ABAQUS 6.9对模型边界约束条件进行限制,生成完整下颌骨的三维有限元模型。结果:快速地建立了更加精确的人体完整下颌骨的三维有限元模型。联合运用HyperMesh软件和Mimics软件对下颌骨进行建模,大大提高了建模的速度以及模型的质量。结论:应用Mimics和HyperMesh软件可以快速、精确的建立人体下颌骨的三维有限元模型,为进一步的生物力学分析打下基础。

模型转化法构建牙齿的三维有限元模型

目的 :在计算机上建立牙齿的三维有限元分析用数学模型。方法 :应用 3DMax制作成牙齿的三维立体几何模型 ,通过CAE软件 ,生成三维实体有限元离散模型。将牙根部分进行弹性约束 ,弹性模量为牙周膜弹性模量。结果 :建立了牙齿的三维有限元模型。结论 :探索了一种新的牙齿三维有限元模型建立的方法 ;

采用牙CT技术建立完整下颌骨三维有限元模型

目的 :为口腔生物力学的研究和优化修复体的设计提供研究手段。方法 :应用先进的牙 CT技术和现代计算机图像处理系统 ,结合三维有限元专用软件对 CT断层影像进行分析处理。结果 :建立了全牙列下颌骨三维有限元模型。所建立的完整下颌骨三维有限元模型具有无损伤性 ,输入计算机的图形、图像和数据可重复使用。重现的牙颌组织的形态、结构相似性好 ,研究者可根据需要对个别参数进行修改 ,模拟各种牙列缺损类型及牙周支持组织的病变情况。结论 :该模型可用于牙颌系统生物力学研究。

纤维桩核冠修复上颌中切牙三维有限元模型的建立

背景:建立有限元模型对缺损的上颌中切牙进行应力分析可为临床修复方法提供选择依据。目的:建立纤维桩全瓷冠修复上颌中切牙的三维有限元应力分析模型。方法:通过螺旋CT扫描、Mimics软件和Ansys软件建立冠缺损1/2的上颌中切牙采用纤维桩全瓷冠修复的三维有限元模型,模拟咬合加载,记录组织的VonMises应力和最大拉应力。结果与结论:建立了冠缺损1/2的上颌中切牙三维有限元模型,并模拟纤维桩核全瓷冠修复,与临床实际情况接近。运用螺旋CT、Mimics软件、Ansys软件能有效建立牙齿组织的三维有限元模型,模拟临床实际情况,并能以此演化为其他修复情况的模型。

人类腰段脊柱三维有限元模型的建立

目的为研究人类腰段脊柱生物力学,提供三维有限元含肌肉整体力学模型。方法通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量,运用超级空间有限元电算程序(SUPER-SAPⅤ)将腰段脊柱按空间有限离散的原则,在计算器上建立三维空间坐标系,仿真完整脊柱腰段力学模型。运用横截面积肌力计算法,测量尸体腰椎周围肌肉:腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积及其与腰段脊柱纵轴的中心数据值,求得力矩值。再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值。通过对本模型重力及肌力的加载,使其更接近于正常人体腰段力学状态。结果建立L1～5脊柱三维有限元模型,形成8节点6面体单元496个,共1006个节点,按不同材料参数仿真脊柱各部结构,并仿真腰段活动进行加载。结论建立完整脊柱腰段三维有限元模型,能够分析脊柱前屈、后伸、侧屈、旋转等多种情况下各部的应力分布及位移量,以探讨腰段脊柱损伤应力的病理机制。

固定义齿各部件三维有限元模型库的建立

目的:建立固定义齿各部件三维有限元模型库。方法:在正常牙颌组织三维几何学模型、模型库的基础上,利用Powershape、Pro/E和Ansys5.5软件,根据天然牙牙冠模型建立基牙-固位体单元体,以及桥体单元体,在牙冠间隙中新建连接体单元体。结果:建立了固定义齿各组成部分的有限元模型库,包括固位体、桥体、连接体3个模型库82个单元体。结论:各类模型具有良好的几何学形态,力学模型组建过程快速、简便。

建立模拟功能状态下的下颌骨三维有限元模型

本文在三维影像重建和三维有限元分析技术的基础上，建立了正常人和颞下颌关节疾病患者正中咬合时下颌骨的三维有限元模型。下颌骨螺旋ＣＴ和有限元模型三维重建影像的几何相似性良好，加载方式符合生理状况，比较真实地反映和模拟了功能状态下颞下颌关节与牙合的受力情况。为对颞下颌关节在各种状况下的生物力学行为进行分析和研究创造了条件。

颅上颌复合体三维有限元模型的建立

目的:建立颅上颌复合体三维有限元模型,为分析其生物力学性质提供一个标准数学模型。方法:选择牙列完整、咬合关系正常,磨牙为中性关系,牙周组织健康,无颞颌关节病的成年健康男性志愿者一例做为建模素材,通过螺旋CT扫描技术,主要采用PRO/ENGINEER 2001和ANSYS8.0软件建立颅上颌复合体三维有限元模型。结果:探索出一条建立颅上颌复合体三维有限元模型的新方法,建立了三维坐标系下的可从任意视角观察的健康人颅上颌复合体三维重建生物医学模型和三维有限元模型,由129750个单元和207056个节点组成。结论:该模型有较好的力学和几何学相似性,为临床探索正畸正颌外科手术的生物力学机制提供了研究手段。

中承式拱桥动力分析的三维有限单元模型

在分析拱桥结构构造特点的基础上 ,考虑了各种结构参数 (结构及非结构质量的分布和偏心、结构刚度、边界条件等 )对中承式拱桥的自振特性的影响 ,对宽翼T形板构成的桥面采用三种有限单元模型 ,建立了拱桥的空间三维计算模型 ,并将其应用于浙江省某大桥的动力特性的计算[1] 。通过对三种有限元建模方式的计算结果的比较 。

构建并验证儿童肱骨髁上骨折三维有限元模型

背景:有限元法最核心的部分就是有限元模型的建立,所建立模型的精确度和建模所需的时间直接体现了该方法的可行与有效性。随着建模方法的发展,骨科有限元分析的范围也逐渐从早期的股骨拓展到脊柱、四肢,而采用DICOM数据直建模法建立儿童肱骨模型并进行有限元分析,国内外文献尚未见相关报道。目的:建立并验证儿童肱骨三维有限元模型,并应用该模型探讨儿童肱骨髁上骨折和肘内翻发生的机制。设计、时间及地点:观察验证性实验,于2007-07/09在大连交通大学机械工程学院CAD/CAE研究中心完成。对象:选择山西医科大学第二医院放射科1例左肱骨髁间粉碎骨折患者CT图像,男性,4岁,采集右侧对照CT图像。方法:扫描层厚为1.25mm,无间隔,将所得图像数据导入到医学图像处理软件mimics中,生成肱骨三维模型。然后以IG格式输出导入到专业有限元网格制作软件HYPERMESH中,生成三维有限元模型。最后导入有限元分析软件ANSYS进有限元分析。主要观察指标:不同载荷下尺侧和桡侧平均应力值。结果:①模型检验与体外生物力学实验的数据基本一致。②肱骨髁上区可见明显的应力交界区。③肱骨尺侧应力大于桡侧结论:①本实验所建立模型真实可信,可用于生物力学分析。②肱骨髁上骨折模型与实际骨折基本一致,进一步形象地实了肱骨髁上骨折发生于骨形状及皮松质骨交界区。③尺侧皮质受损大于桡侧是肘内翻畸形的基本力学因素。

上颌后牙区、上颌窦、颧骨及颧骨种植体的三维有限元模型建立

目的:探讨上颌骨后牙区、上颌窦、颧骨及颧骨种植体的三维有限元建模方法。方法:采用螺旋CT扫描正常成人颅颌骨,利用3D-Doctor软件进行数据采集,数据导入ABAQUS软件中建立三维有限元模型,并模拟建立颧骨种植体模型。结果:建立的三维有限元模型几何相似性好,在操作平台上可随意观察。结论:采用CT扫描技术及ABAQUS建模技术可以建立切实可行的上颌骨后牙区、上颌窦、颧骨及颧骨种植体的生物力学模型。

医学图像三维有限元重建中的数据管理及T10～T12胸椎模型建立

在进行生物力学分析时 ,依靠序列医学图像进行三维有限元模型重建是一种必要的手段 ,但是此过程中图像的数据处理和网格划分等繁重的前处理工作 ,成为了有限元分析工作的瓶颈 ,尤其是形状和其医学图像的数据具有复杂性的胸椎的模型的建立。针对胸椎三维有限元模型建立所必需的数据 ,给出了基于 CT医学图像处理所必需的数据结构和类型 ,分析了数据获得和处理的方法。同时提出了基于分块建模思想的数据管理方法 ,结合MSC.Marc软件实现了网格划分 ,建立了 T10～ T12段胸椎的三维有限元模型 ,其形态特征基本保持了实际骨骼的外形特征 ,满足了生物力学研究分析的要求。针对医学序列图像处理和有限元模型的建立过程中的数据获得与管理 ,是非常有意义的重要工作之一 ,对于其他类似的基于医学图像 (CT、MRI等 )的人体组织的三维有限元重建工作 ,具有拓展意义和实际的指导意义。

基于三维动态有限元模型的轮轨磨耗数值分析

提出基于三维动态有限元模型的轮轨形面磨耗的数值预测方法,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,对轮轨滚动接触过程中的磨耗问题进行数值仿真研究。分析中,轮、轨材料采用双线性的弹塑性本构模型,联合使用有限元隐式(静态)和显式(瞬态)求解方法模拟轮轨瞬态滚动接触过程;采用基于微面积的Archards磨耗模型的积分形式,对轮轨材料的滚动磨损进行计算;用基于三次样条插值函数的曲线光滑技术,对磨耗过程的磨损量分布进行光滑化处理,再根据光滑化后的磨损分布来更新轮轨形面;用Laplace网格光滑技术对车轮踏面和轨轮轨头内部的有限元网格进行光滑化处理。以以往轮轨试验为实例对数值分析模型和方法进行了验证,试验结果与数值分析结果具有良好的一致性。

单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的建立

对单侧完全性唇腭裂患者颅颌面部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型。建立了由27405个实体单元和26876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型。应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomagic Studio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效的建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法。