人体膝关节动态有限元模型及其在TKR中的应用

目的研究膝关节高屈曲活动下运动和应力等的动态特征。为膝关节生物摩擦学研究提供相对运动和应力分布等生物力学数据。方法建立包括人体主要骨与软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型,对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析,并与相应的尸体实验的结果进行验证分析。结果通过有限元分析,获得高屈曲膝关节的三维相对运动参数,胫股关节和髌股关节的接触位置和应力等动态力学参数。有限元分析结果表明,分别在膝关节过伸和高屈曲时,在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处、胫骨平台内后方和轮柱后部3个区域发生较高的接触应力。这些也正是假体发生较高磨损率的区域。结论所建立的有限元模型能够对于膝关节下蹲动作的运动、接触等力学行为进行评估,为临床膝关节全膝置换术、膝关节假体的摩擦学研究及其膝关节假体设计提供有力的分析工具。

超磁致伸缩执行器的三维非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器工作时超磁致伸缩材料的磁导率会随着应力变化而变化,并存在磁滞损失和涡流损失等非线性问题,同时磁场、电场、温度场及机械应力场之间存在耦合.建立了超磁致伸缩执行器电场、磁场和机械应力场3场耦合的三维非线性动态有限元模型,考虑了超磁致伸缩执行器Terfenol-D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失.使用Jile-Autherton磁化模型计算磁滞损失,在商业有限元软件FEMLAB中实现了有限元模型.模型仿真结果和实验结果相一致,验证了所建立模型的正确性.

超磁致伸缩执行器全耦合非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器在高频率下工作时,能量损失不仅包括磁滞损失、Terfenol-D棒涡流损失,还包括执行器导磁回路的附加涡流损失,同时执行器上存在磁场、电场、温度场及机械应力场四场之间的耦合。本文考虑超磁致伸缩执行器Terfenol-D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失,从电场、磁场和机械应力场三场耦合角度,建立超磁致伸缩执行器三维非线性动态有限元模型。超磁致伸缩材料磁滞特性由Berqvist和Engdahl磁滞模型来描述。应用FEMLAB建模分析并与实验结果对比,发现模型与实验结果吻合较好,验证了所建立三维动态FEM模型的正确性。

正常膝关节和人工膝关节髌股关节高屈曲运动特性及其比较分析

目的分析人体正常膝关节和人工膝关节高屈曲活动下髌股关节的运动,为膝关节髌股关节运动特性研究提供参考。方法建立包括膝关节骨组织和主要软组织在内的正常膝关节以及人工膝关节的动态有限元模型,采用三束股四头肌肌力非同步变力加载的方式,对膝关节下蹲运动中髌股关节的运动特性进行研究,并与相关研究结果进行对比分析。结果通过有限元分析,获得高屈曲膝关节三维运动的相对运动参数。髌股关节在位移和旋转均呈现出相同的运动趋势,同时,存在局部的差异,在低屈曲时,人工髌股关节表现出先外倾后内倾的运动趋势,而正常髌股关节表现出持续内倾的运动特性。结论通过仿真和对比分析,人体髌股关节的运动数据总体趋势近似,同时存在差异。对于正常膝关节,差异的原因主要在于髌骨运动各个方向上和不同屈曲度时的约束程度的改变;对于人工膝关节,差异主要来源于膝关节型面和结构的改变,以及坐标系定义、在体和离体差异、负荷加载差异。

人工膝关节的生物摩擦学特点

目的:探讨膝关节屈曲活动时的动态特征,为人工膝关节生物摩擦学的研究提供相对运动和应力分布等生物力学数据。方法:由第一作者采用电子检索的方式,在中国期刊全文数据库(CNKI:1994/2009)中检索有关人工膝关节运动及摩擦的文献,检索词为"膝关节假体,生物力学,磨损颗粒,仿生滑液"。排除较陈旧的文章及重复性研究,共检索到符合标准的文献22篇。结果:建立包括人体主要骨与软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限模型,通过有限元分析,获得与屈曲膝关节的三维相对运动参数,胫骨关节和髋股关节的接触位置和应力等动态力学参数。结论:人工膝关节磨损性能受到较多因素的影响,多数学者在研究这些因素时以单因素研究为主,对多因素研究较少而且研究主要集中于对实验结果的描述,很少有对关节运动及磨损机制进行深入研究的报道。对人工膝关节运动及摩擦性能的研究需要把运动学和力学与磨损状态结合起来,共同期待今后进行磨损状况的预测。

混沌性或噪声信号引起的确定性响应

利用均匀介质构成一个具有波的遍历特性的系统 ,初步探讨了随机信号的激励行为 ,研究表明 ,带有某种随机性的输入信号 ,同样能产生确定性的脉冲输出 .

弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形数值模拟

为分析弹丸结构参数及闭孔泡沫铝材料参数对冲击加速度响应的影响,建立了弹丸侵彻闭孔泡沫铝试验装置的动态非线性有限元模型。利用LS-DYNA软件模拟了弹丸冲击侵彻闭孔泡沫铝的波形发生过程。通过数值计算研究参数对冲击响应的影响,特别是对冲击过程中弹丸加速度峰值、脉宽及加速度波形的影响。研究发现,使用锥形头弹丸可获得较为平整的加速度波形;降低泡沫铝孔隙率、减小厚度、减小弹丸质量均会引起弹丸冲击加速度峰值的增大与冲击脉宽的减小;增大弹丸初速可提高冲击加速度峰值与脉宽。