基于MS-Fortran Powerstation V4.0的有限元分析系统BNAP

介绍新一代Fortran语言编译器 (MS FortranPowerstationV4 0 )的主要特点及其进行有限元分析系统开发的相关步骤 ,最后给出具体的应用示例 .

核反应堆系统多维度多物理场耦合有限元分析研究

核反应堆系统庞杂且运行环境严苛,存在多物理场耦合的复杂现象。早期开发的多物理场耦合软件具有扩展性和通用性不足的缺点。因此,搭建多物理场耦合框架,针对耦合问题中的关键技术开展研究,对加快我国自主化多物理场耦合平台开发进程具有重要意义。本文介绍了西安交通大学核反应堆热工水力研究室开发的核反应堆多维度多物理场耦合有限元分析平台,主要包含热工流体计算模型的开发、燃料性能分析技术的研究以及多物理场耦合框架的建立等工作。在热工流体计算方面,开展了核反应堆系统两相流分析模型和液态金属快堆子通道分析模型研究,开发了系统分析程序NUSAC和子通道分析程序FLARE;在燃料性能分析技术方面,开展了包覆颗粒弥散燃料和板状燃料的性能分析研究,开发了针对多种燃料的燃料性能分析程序BEEs;在多物理场耦合分析方面,搭建了多物理场耦合框架,结合热工水力、中子物理和燃料性能分析程序,实现了核反应堆多物理场耦合的精细分析。本文搭建的核反应堆系统多维度多物理场耦合有限元分析平台可为核反应堆系统多维度多物理场耦合高保真数值模拟分析提供有力支持。

非解剖复位下股骨颈系统内固定治疗股骨颈骨折的有限元分析

背景:难复性股骨颈骨折很难获得解剖复位,作为一种新型内固定装置,目前关于股骨颈系统内固定治疗非解剖复位的股骨颈骨折尚是空白。目的:运用有限元分析方法,探讨股骨颈系统内固定治疗未能获得解剖复位的股骨颈骨折的生物力学稳定性。方法:收集一名健康女性成年人的髋关节CT数据,利用Mimics 21.0、Geomagic Wrap 2021和SolidWorks 2020制作Pauwels角分别为30°,50°和70°的解剖复位股骨颈骨折模型,将以上3个解剖复位模型的骨折近端沿骨折线向上移位2 mm,得到3个不同Pauwels角的阳性支撑模型;相反,得到3个阴性支撑模型。使用SolidWorks 2020制作股骨颈系统内固定,并与以上9个模型装配。使用Ansys 19.0软件进行有限元分析,记录2100 N应力下股骨和股骨颈系统的位移分布和最大位移、应力分布和最大应力。结果与结论:①Pauwels角为30°,50°,70°时,股骨颈系统最大应力均集中在螺栓与抗旋螺钉交界处,股骨最大应力集中在股骨内侧皮质,最大位移均分布于股骨头上部和股骨颈系统顶端;②Pauwels角为30°,50°时,股骨颈系统和股骨的最大位移和最大应力情况均为阴性支撑>解剖复位>阳性支撑;③Pauwels角为70°时,股骨颈系统的最大位移和最大应力情况为阴性支撑>解剖复位>阳性支撑;股骨的最大位移和最大应力情况为阴性支撑>阳性支撑>解剖复位;④随着Pauwels角的增大,阳性支撑的生物力学优势在减弱,但均优于阴性支撑;当Pauwels角为30°时,阳性支撑比解剖复位更稳定;当Pauwels角为50°时,阳性支撑与解剖复位的生物力学差异变得更小;当Pauwels角为70°时,解剖复位的稳定性略优于阳性支撑;⑤提示股骨颈骨折在术中若难以达到解剖复位,但已实现移位2 mm以内的阳性支撑,应用股骨颈系统内固定可以得到稳定的力学固定,但是需要避免阴性支撑复位。

股骨颈动力交叉钉系统(FNS)的临床疗效观察及有限元分析

目的:探讨股骨颈动力交叉钉系统(FNS)的有限元分析及其治疗股骨颈骨折(FNF)的临床疗效。方法:选择自2021.12~2022.12在青岛市市立医院接受内固定治疗的年轻股骨颈骨折患者60例,以手术方式进行分组,空心加压螺钉(CCS)组30例接受CCS固定治疗,FNS组30例接受FNS固定治疗。观察两组患者围手术期相关指标,术后采用X线摄片、髋关节CT评估骨折愈合及股骨头是否出现缺血坏死,采用髋关节功能Harris评分对术后临床功能疗效进行评估。利用Solid Works建立股骨颈模型,Ansys workbench软件模拟并分析FNS固定股骨颈骨折的受力情况及特点,通过上述有限元分析技术探究FNS在治疗股骨颈骨折时的力学机制。结果:1) 两组患者性别、年龄、BMI水平、受伤致手术时间等基本资料比较,无统计学意义(P > 0.05);而FNS组患者术前术后血红蛋白差值、手术时间、透视次数、失血量、切口长度等指标均低于CCS组,有统计学意义(P < 0.05)。2) FNS组患者的骨折愈合时间及术后6个月复诊时Harris评分均优于CCS组,有统计学意义(P < 0.05)。3) FNS组患者术后并发症发生率6.67%、低于CCS组患者并发症22.22%,有统计学意义(P < 0.05)。4) FNS组件在杨氏模量、泊松比、体积模量、剪切模量、拉伸屈服强度、拉伸极限强度等力学指标的分析研究中,各项性能均优于股骨。结论:1) 对于年轻股骨颈骨折患者使用CCS与FNS内固定手术治疗,结果分析表明FNS内固定治疗更符合微创理念,手术创伤更小,减少透视次数,操作简单,有助于术后快速康复。2) FNS内固定手术可以降低患者术后并发症的发生。3) FNS固定治疗对恢复患者髋关节功能作用更为显著,可早期功能锻炼,可更好提高患者生活质量。4) FNS内固定材料可以满足人体功能需求,可以作为一种可靠的内固定方式供临床选择。

MSS50移动模架吊挂系统有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件,分别建立移动模架吊挂系统合模和开模工况下的有限元模型,研究吊挂系统在静载和过孔工况下的应力分布和变形情况,为确保其在施工状态下结构的安全可靠性,需校核移动模架吊挂系统最大受力工况下的结构强度、刚度及屈曲稳定性。有限元分析结果表明:移动模架吊挂系统满足强度、刚度及屈曲稳定性要求,研究成果可为移动模架的设计与安全施工提供参考。

不同工况下液压插销升降系统定环梁建模策略及有限元分析

为了研究液压插销式升降系统定环梁在不同工况下结构强度,基于载荷传递路径分析、多点约束(MPC)方程,利用不同工况下建模策略开展定环梁有限元分析,并结合船级社规范开展校核验证。结果表明,升降系统的定环梁作业要根据载荷传递路径采取不同的建模策略;MPC方法相比于共节点的方法,克服了不同单元、不同结构交界面处节点不兼容的问题,能够有效的降低网格离散化过程中所消耗的时间,提高计算效率,节约计算资源;结构的校核需要考虑工况组合、应力集中系数、材料系数等综合因素后作出评定。研究成果可为不同工况下液压插销升降系统定环梁的分析校核提供参考。

基于时间有限元的非线性系统周期响应求解及稳定性分析

非线性现象广泛存在于结构分析之中,获取非线性系统的周期响应对分析结构的频响特征、分岔与稳定特性至关重要。为此,一种基于时间有限元的非线性系统周期响应求解方法被提出。该方法在伽辽金时间有限元法的基础上,引入周期边界条件,并结合牛顿迭代法进行求解。该方法的优势在于:能够简单地处理非光滑周期荷载(如阶跃或冲击周期荷载);能够直接根据时间有限元的系统矩阵计算传递矩阵和Floquet乘子,进而判定周期解的稳定性。最后,通过数值算例验证了所提时间有限元在非线性系统周期响应求解及稳定性分析中的正确性、收敛性以及精度。

SCR脱硝系统的烟道及支架有限元分析

本文为设计某SCR脱硝系统项目中的烟道及支架,利用有限元分析软件ABAQUS及Midas-Gen钢结构分析软件,建立了烟道模型及钢支架模型。通过分析高温烟道的应力、变形及热膨胀位移等结果,确定了合理的烟道布筋方案和支撑限位方案,并且提取了最恶劣工况下高温烟道对钢支架产生的支反力,进而将支反力添加于钢支架模型进行分析,使计算结果更接近现实,并对钢支架的稳定性、应力及变形结果进行了分析,为高温烟道及其支架的设计提供了理论参考及计算思路。

悬臂式掘进机截割减速器传动系统有限元分析及优化

以EBZ160型悬臂式掘进机为研究对象,介绍一种掘进机截割减速器传动系统拓扑优化方法。具体拓扑优化方法中引入有限元仿真分析法,从静力学分析和模态分析两个角度实施悬臂式掘进机截割减速器传动系统有限元仿真分析,根据有限元分析结果,采用拓扑优化方法实施传动系统拓扑优化。为验证传动系统拓扑优化方法的可行性,将拓扑优化方法应用于工程实践,对比传统数值计算方法优化结果,证明拓扑优化方法具有较强的可行性和应用优势。

股骨颈动力交叉钉系统主钉位置对股骨颈骨折稳定性影响的有限元分析

目的采用有限元方法分析股骨颈动力交叉钉系统(FNS)中主钉位置对PauwelsⅢ型股骨颈骨折稳定性的影响。方法选择1名25岁健康男性志愿者,CT扫描收集其股骨中上段影像学数据并建立PauwelsⅢ型股骨颈骨折三维模型,同时建立FNS模型,将两种模型组合并根据FNS主钉位置的不同得到模型1(FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中前1/3)、模型2(FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中心)、模型3(FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中后1/3)。采用有限元分析法评估并比较每组模型中的股骨颈骨折远端和近端、股骨近端、内固定装置的应力情况,同时分析股骨头远端和近端及内固定装置远端和近端在X(平行于股骨颈轴线)、Y(股骨颈矢状位)、Z(垂直于股骨颈轴线)轴位移情况。结果①3组模型股骨颈骨折端及股骨近端的应力随压力的增加均逐渐增加,3组模型间应力比较差异无统计学意义(P>0.05)。②随着压力的增加内固定装置的应力逐渐增加,模型1及模型2均小于模型3(P<0.05)。③3组模型不同压力下股骨头远、近端以及内固定装置远、近端在X轴及Z轴方向位移比较差异均无统计学意义(P>0.05);在Y轴方向位移中,模型3均大于模型1和模型2(P<0.05),模型1与模型2比较差异均无统计学意义(P>0.05)。结论FNS主钉置入点位于股骨颈轴位中心及偏前具有较好的抗旋转能力且能避免内固定装置应力集中,从而使股骨颈骨折固定更牢靠。

股骨颈动力交叉钉联合空心钉治疗Pauwels Ⅱ型中青年股骨颈骨折的有限元分析

背景:股骨颈骨折是一种还未被解决的骨折,虽然涌现了空心螺钉、动力髋螺钉及股骨颈动力交叉钉等效果较好的植入物,但对于Pauwels角和剪切力较大的股骨颈骨折的最佳内固定方案尚无定论。目的:采用有限元分析法研究不同置钉位置的股骨颈动力交叉钉联合空心螺钉治疗PauwelsⅡ型中青年股骨颈骨折的生物力学特性。方法:根据提取的志愿者股骨CT数据建立Pauwels角为50°的股骨颈骨折模型,将股骨颈均分为3等分,构建4组模型:A组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间1/3;B组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3;C组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3+空心螺钉位于股骨颈上1/3;D组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间偏前内侧1/3+空心螺钉位于股骨颈中间偏后内侧1/3。在1200 N的载荷下测量4组股骨、内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力分布。结果与结论:①通过有限元分析可知,C组的股骨及内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力均小于其余3组;②B组相较于A组有着更小的股骨骨质、内固定物和骨折断面应力和位移,说明股骨颈动力交叉钉头钉放置于股骨颈下1/3比中1/3更稳定;③结果表明,股骨颈动力交叉钉头钉位于股骨颈下1/3联合股骨颈上1/3平行放置螺钉对青壮年PauwelsⅡ型股骨颈骨折具有更好的稳定性,是治疗该类型骨折的有效选择。

髓内与髓外固定股骨颈基底部骨折的有限元分析:PFNA与FNS

背景:股骨颈基底部骨折生物力学稳定性差,治疗方案与传统股骨颈骨折有所差别,目前临床上治疗青年股骨颈基底部骨折的手术方案仍未达成统一。目的:通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉与股骨颈动力交叉钉治疗股骨颈基底部骨折的生物力学特征。方法:首先使用Mimics Medical 21.0软件提取健康青年女性志愿者右侧股骨CT数据建立初步模型;然后将该模型导入Geomagic Wrap 2021软件进一步光滑处理;利用SOLIDWORKS 2021软件建立股骨颈基底部骨折模型、股骨近端防旋髓内钉模型、股骨颈动力交叉钉模型并进行装配;最后将装配后的模型导入Workbench 2021 R1软件进行生物力学分析。结果与结论:(1)应力分布:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近及股骨内侧,应力峰值为151.90 MPa;股骨颈动力交叉钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近,应力峰值为290.74 MPa;股骨近端防旋髓内钉内固定应力主要分布在螺旋刀片及主钉近端,应力峰值为102.95 MPa;股骨颈动力交叉钉内固定应力分布主要由支撑棒向两边延伸,应力峰值为184.69 MPa;(2)总位移:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型最大位移为4.032 3 mm,股骨颈动力交叉钉组股骨模型最大位移为4.648 9 mm,最大位移均位于股骨头;股骨近端防旋髓内钉组内固定与股骨颈动力交叉钉组内固定位移峰值分别为2.709 4 mm与3.130 3 mm,两组内固定位移均主要集中在内固定近端,逐渐向远端递减;(3)提示在股骨颈基底部骨折的模型中,无论是股骨模型还是内固定模型,股骨近端防旋髓内钉相较于股骨颈动力交叉钉应力分布更分散、应力峰值更低、股骨头位移更小,生物力学稳定性更优。

四种不同内固定方式治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析

背景:PauwelsⅢ型股骨颈骨折可能承受更多的剪切力与弯曲力,因此容易发生内固定失效、骨不连或股骨头坏死等并发症,目前关于选择理想的内固定装置还没有达成共识。目的:通过有限元分析比较4种内固定方法治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生物力学特性。方法:选取一名健康年轻志愿者的股骨CT数据导入Mimics软件,构建正常股骨的三维模型。根据70°骨折线模拟PauwelsⅢ型股骨颈骨折,使用Geomagic和UG软件优化和构建4种骨折内固定模型:倒三角空心钉、股骨颈固定系统、股骨颈固定系统+空心钉(前)、股骨颈固定系统+空心钉(后)。最后利用Ansys软件分析4种不同内固定模型中股骨近端骨折块的应力分布、峰值应力和峰值位移;观察内固定装置和股骨颈骨折上断面的位移分布和峰值位移。结果与结论:(1)4组骨折近端碎片应力峰值集中在骨折线附近,峰值应力股骨颈固定系统组最大,倒三角空心钉组最小;(2)骨折碎片峰值位移均位于股骨头顶部,峰值位移倒三角空心钉组最大,股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小;(3)内固定模型峰值位移均位于模型顶部,峰值位移倒三角空心钉组最大,股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小;(4)断裂面的位移在断裂端的上部,峰值位移倒三角空心钉组最大,股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小;(5)提示与其他3种内固定方式相比,股骨颈固定系统+空心钉(后)组表现出良好的生物力学稳定性;当PauwelsⅢ型股骨颈骨折发生于年轻人时,从有限元分析的角度,使用其治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折可能是更有利的选择。

BOPPPS教学结合三维有限元分析模型在运动系统临床实践教学中的应用

为探究BOPPPS教学结合三维有限元分析模型在运动系统临床实践教学中的应用效果。本研究以2021年1月—2021年12月的华中科技大学同济医学院第一临床学院2018级临床五年制医学生为研究对象,并随机分为两组,54名学生纳入传统教学组,54名学生纳入BOPPPS教学组。两组学生均由相同的高年资教授团队进行理论授课,临床实践教学由6名高年资主治医师进行带教。传统教学组按照传统实施,BOPPPS教学组按照BOPPPS教学六步骤实施。学生完成运动系统理论和临床实践学习后,统一进行理论知识考核、临床实践考核和问卷调查。结果发现,BOPPPS教学组的考试成绩(88.31±3.90)分稍高于传统教学组(86.46±3.74)分。采用Mini-CEX评估两组学生的临床技能,两组学生的技能考核平均成绩,人文关怀方面两组无显著性差异,其他方面BOPPPS教学组均优于传统教学组。BOPPPS教学组学生在各方面对教学效果的评价均优于传统教学组,各方面学习效果自我评价均优于传统教学组。因此,BOPPPS教学结合三维有限元分析模型不仅改良了教学方法,还利用三维有限元分析帮助学生理解运动系统的复杂解剖结构,能够有效调动医学生学习的积极性,提高医学生的学习效率。

一种用于LNG软管输送系统紧急脱离装置的有限元分析

为保证一种LNG软管输送系统的紧急脱离装置在紧急状态下能使LNG低温软管快速分离,分析紧急脱离装置结构强度,设定10种不同工况,通过线性叠加得出载荷力最大和容许应力最低的两种危险工况,分析紧急脱离装置在最危险工况下是否能满足结构安全要求,有限元计算结果显示最危险工况下的载荷力和许用应力均在设计范围内,结构设计合理,整个装置最大应力出现在抱箍安装端圆柱轴根部,建议加强该部件强度。

基于有限元的摆杆-摆锤系统模态分析

仪器化冲击试验已经成为冲击试验的新方向,对试验得到的动态信号进行分析,提取与金属断裂韧性有关的特征值成为今后的一个重要研究方向。该文对夏比冲击试验机的摆杆-摆锤系统建立三维模型,采用有限元法对系统进行模态分析,得出系统的前15阶模态的振型及频率。分析结果可为预测系统在冲击激励下的频谱响应提供参考。

股骨颈内固定系统固定股骨颈基底部旋转截骨的有限元分析

目的采用有限元分析法比较股骨颈内固定系统(FNS)和空心螺钉作为治疗股骨头坏死的旋转截骨术中内固定装置的生物力学特性。方法采用虚拟有限元建立中日友好医院分型L2型股骨头坏死模型,模拟前旋90°和后旋180°的旋转截骨术,分别模拟植入FNS(FNS组)及空心螺钉(空心螺钉组),分析股骨近端截骨块、内固定装置、坏死区的应力分布及位移和股骨的位移。结果前旋90°和后旋180°模型中,FNS组股骨近端截骨块、坏死区的应力和股骨近端截骨块、内固定装置、坏死区、股骨的位移均小于空心螺钉组。FNS组股骨近端截骨块和坏死区的应力峰值比空心螺钉组减少明显,近端截骨块应力峰值减小47.45%和13.64%,坏死区应力峰值减少44.96%和35.52%。结论与空心螺钉相比,无论截骨后向前旋90°还是向后旋180°,FNS提供了更好的生物力学稳定性。

高墩液压自爬升模板系统空间有限元分析

液压自爬升模板系统在高墩桥梁施工过程中的安全性意义重大。以某一工程高墩液压自爬升模板系统为对象,采用有限元分析软件midas Civil 2015,分别对液压自爬升模板系统的荷载和施工工况进行计算和验算。研究表明:液压自爬升模板系统在施工工况、爬升工况和停工工况下均满足规范要求;施工单位在6级以上大风时应停止作业,并加强重点部位的锚固和墩柱四周爬模的连接,增强其整体稳定性。

基于有限元分析的高压电缆环流异常检测抑制系统设计

常规系统赋予电缆线芯的电流值与实际值相差较大,导致环流异常可检测长度较短。为此,提出基于有限元分析的高压电缆环流异常检测抑制系统。硬件方面,组成系统整体构架,优化电缆接地线电流互感器,确保电流数据与实际电流相符;软件方面,利用有限元分析为线芯施加电流,通过有限元仿真的磁感应强度分布图,计算电缆环流值。实验结果表明,针对工频稳态下的高压缆线、牵引负荷电流下的高压缆线、弯曲状态的高压缆线,设计系统的平均可检测长度分别为1230 m、1180 m、990 m,增加了环流异常可检测长度。

桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的有限元分析

背景:髓内固定治疗锁骨中段骨折已是一种有效且安全的固定方式,然而髓内钉松动移位、钉尾软组织激惹等问题突出。部分带锁髓内钉手术操作难度大,难以推广应用。髓内固定治疗锁骨骨折仍有较大的改进空间,有待设计出一种新型髓内固定产品来减少这些问题。目的:使用有限元分析方法探讨桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学稳定性,为临床应用提供科学参考。方法:利用1名青年志愿者的锁骨CT数据通过相关软件建立锁骨中段横行骨折的有限元模型,根据骨折内固定原则,分别组装成锁定板、桥接内固定系统和钛制弹性钉内固定有限元模型。最后使用ANSYS 15.0软件进行网格划分、施加载荷和数据处理,比较各模型锁骨和内固定的应力分布、最大Von Mises应力及最大位移情况。结果与结论:①不同载荷下,桥接内固定系统髓内固定锁骨中段骨折的应力分布与钛制弹性钉固定类似,髓内连接棒在骨折断端附近出现应力集中现象,异同点是桥接内固定系统髓外锁定处出现次级应力集中,使桥接内固定系统组整体应力较钛制弹性钉组更分散;②轴向压缩载荷下,桥接内固定系统组锁骨最大Von Mises应力为251.96 MPa,高于其他两组;骨折面的最大Von Mises应力为33.79 MPa,低于其他两组;悬臂弯曲、顺/逆时针扭转载荷下,桥接内固定系统组锁骨和骨折面的最大Von Mises应力均小于钛制弹性钉组而大于锁定板组;③不同载荷下,3组中植入物的最大Von Mises应力均出现在骨折端附近,其中钛制弹性钉的应力峰值最大,桥接内固定系统次之,锁定板最小;④不同载荷下,各组中锁骨的最大位移均在锁骨远端,其中钛制弹性钉组中锁骨远端及骨折端的位移峰值最大,桥接内固定系统组次之,锁定板组及无损锁骨较小;⑤提示桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学稳定性优于钛制弹性钉固定,内固定松动移位风险较钛制弹性钉低,但固定强度不如锁定板。