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。

配筋3D打印混凝土结构有限元模拟方法及拱稳定性分析

由于3D打印混凝土技术对打印材料的工作性能要求较高,试验过程中存在不可避免的试验误差,导致3D打印混凝土构件力学性能存在较大离散性。国内外学者对3D打印混凝土构件的有限元模拟研究尚处于起步阶段,关于配有钢筋的3D打印混凝土构件基本力学性能的研究很少。因此,提出了3D打印混凝土构件有限元模拟方法,并对素混凝土和配筋混凝土拱结构进行稳定性分析,考察钢筋与打印成型方式对3D打印混凝土拱结构稳定性的影响。研究发现:3D打印混凝土拱结构承载力明显低于筑模成型拱结构;添加钢筋能显著提高垂直拱跨方向打印的拱结构承载力,而对平行拱跨方向打印的拱结构承载力影响不大;添加钢筋能显著提高拱结构延性。

基于3D打印踝足矫形器计算机辅助设计及有限元分析

足踝受伤或缺陷的患者需要踝足矫形器辅助康复和治疗,踝足矫形器的设计会影响到患者的康复效果和舒适度。目前,市场上踝足矫形器都是为了支撑小腿后部而设计,结构单一,使用不变。随着增材制造技术的发展,计算机辅助设计,3D打印加工个性化踝足矫形器,不仅可以满足患者不同的需求,且具有成本低,设计灵活,方便携带等优点。本研究通过计算机辅助设计及有限元分析,设计固定式和活动式两种方案模型,优化结构和材料,采用有限元ANSYS分析纵横对比变形量和应力分布,为3D打印踝足矫形器的优化和设计提供思路,优化定制方案。研究结果表明:传统踝足矫形器有更加稳定的结构和使用持久性,而活动型踝足矫形器,由于应力主要集中在活动部位的铰链连接处,结构稳定性和使用持久性下降。通过引入碳纤维(CFRP)和聚醚醚酮(PEEK)材料可降低活动部位铰链连接处的应力和变形量,改善活动踝足矫形器的使用性能,从而满足临床患者需求,且使用灵活,便捷。

个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后有限元模型的建立及生物力学分析

目的建立腕关节三维有限元模型,研究个性化3D打印舟骨部分置换术后腕关节及假体在不同角度运动中的应力分布和形变,为假体设计与优化提供依据,为临床应用提供生物力学支持。方法导入1例左腕舟骨骨折伴骨缺失患者的腕关节CT数据及个性化3D打印钛合金舟骨部分置换假体数据,建立有限元模型,分析不同运动方向腕关节整体形变、应力分布及假体与螺钉应力分布。结果随运动角度增加,腕关节整体形变与应力均有所增大,但无明显应力集中区、应力遮蔽等问题。假体应力集中在舟骨连接处,极度掌屈时最大(264.45 MPa);螺钉应力集中在腰部,极度尺偏时最大(116.13MPa),均未超材料强度。结论个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后,腕关节整体形变小、应力分布合理,无过度集中或遮蔽问题,最大应力远低于材料屈服强度。该手术方式可匹配患者解剖特征,具有良好生物力学性能,是治疗腕舟骨骨不连伴骨坏死的合适选择。

轻量化钵育秧盘的3D打印及有限元分析

新型插秧机的研发过程中,秧盘尺寸需要不断调整,为提高研发效率,引入3D打印技术制作秧盘。为使得秧盘更接近实际工况,对秧盘进行了抽壳处理以达到轻量化。为了保证秧盘组装后的强度,仅对秧盘3号块件进行抽壳。考虑到秧盘的尺寸大于3D打印机的最大打印尺寸,对秧盘进行了拆分和组装设计。为验证轻量化互锁拆分秧盘设计的合理性,对3种不同设计方式的秧盘进行了有限元分析。研究表明互锁拆分轻量化秧盘不仅能达到轻量化要求,而且其变形幅度也小。最后对轻量化互锁拆分秧盘进行了3D打印试制。实践结果表明,采用轻量化互锁设计后的秧盘,不仅省材、轻量,也能同时满足应用力学性能要求。

电磁发射复合型结构拦截弹的3维电磁场有限元建模与仿真

为了达到拦截弹的连续发射、提高拦截效果和加固驱动线圈的目的,提出了一种复合型结构的拦截弹。在建立数学模型时,基于麦克斯韦方程组,对非铁磁材料区域、铁磁材料区域、空间区域等求解区采用矢量磁位和标量磁位来描述3维电磁场,并采用Ansoft有限元分析软件中的MAXWELL3D模块对新型结构拦截弹的电磁场和涡流场分布情况进行了仿真研究。通过对仿真结果的分析发现,使用了铁磁材料的拦截弹具有其它类型电磁发射弹丸所不具备的磁场分布特点:感应层与驱动线圈之间为斥力,屏蔽层与驱动线圈之间为吸力。这使得实现了一体化设计的拦截弹不仅可以满足连续发射的需要,而且还提高了拦截效果,同时对驱动线圈起到了加固作用。

3D打印矫正鞋垫晶格支撑结构的有限元分析

矫正鞋垫可通过3D打印技术定制,而支撑鞋垫的拓扑晶格结构可利用有限元分析来探索优化。基于面心立方(FCC)、体心立方(BCC)这2种常规晶格支撑结构建立结构模型,分析寻找最优拓扑结构,并深化构造FCC和BCC复合结构模型,研究结构因子及晶格轮廓对矫正支撑性能的影响。模拟结果显示,相同受力条件下,FCC晶格结构支撑强力较高,同等变形下的抗压力较大;对于由FCC和BCC组成的复合结构,其有限元分析的参数值随着FCC结构在复合模型中所占比例的降低而增加,且FCC占比每减小25%,应力增大约1.03倍。模拟结果证明,FCC结构在支撑矫正鞋垫时具有理论和实用的一致性,能形成良好的足底压力分布。

基于An soft Maxwell 3D的电磁场分析与计算

电磁场分析是复杂电子电气产品设计的一个重要环节,是决定产品性能的关键因素;而电磁场的有限元分析方法作为一个强大的工具,在工程中的应用极为广泛.根据长直螺线管的电磁场数学推导结果,利用ANSYS工程电磁场有限元软件对其进行仿真,验证了结果的一致性,反映出有限元方法在电磁场分析的优势及ANSYS软件分析的直观性与便利性,展示了ANSYS软件在电磁场分析应用中的基本方法与技巧.实验证明,An soft Maxwell 3D在分析复杂电磁场方面具有很高的实用价值.

3D打印个体化定制枕颈融合系统的三维有限元分析

目的:运用三维有限元分析法对3D打印个体化定制枕颈融合系统(3D printing occipitocervical fusion system,3D-OCF)进行生物力学评价。方法:设计并研制3D-OCF,将该内固定系统与传统Summit内固定系统作对比,建立两套枕颈融合内固定方式的三维有限元模型,模拟术后上颈椎活动,分别在屈伸、侧屈及旋转6种工况下施加40 N垂直载荷及1.5 N·m力矩的预载荷,观察两种内固定系统固定下椎体活动度、枕骨位移峰值及内固定装置的应力分布。结果:在屈伸、侧屈、旋转6种工况下,与传统Summit内固定系统相比,3D-OCF固定的上颈椎各节段活动度明显降低,各节段整体活动度下降73.02%~100.00%;椎体位移峰值,与传统Summit内固定系统相比,3D-OCF固定的颈椎最大位移值明显降低,各个工况下下降了78.09%~95.73%;内固定系统应力分析,在屈伸、侧屈、旋转6种工况下,两套内固定系统所受最大应力值均在前屈状态下,3D-OCF最大应力值为37.43 MPa,Summit内固定系统最大应力值为533.32 MPa。3D-OCF的最大应力值与使用传统Summit内固定系统相比,3D-OCF各个工况的最大应力值明显降低,且各个工况下应力差均衡,无明显应力集中点。结论:3D-OCF能为枕颈融合内固定术能提供足够的强度和稳定性,且3D-OCF装置应力相对较为分散,系统装置发生断裂、失效的可能性小。

基于DEFORM-3D的新能源汽车电机定子冲裁成形有限元分析

电机作为新能源汽车的重要组成部件之一,其能量受到广泛的关注。而定子加工质量直接影响到电机的品质,进而影响到新能源汽车的性能。文章以新能源汽车电机高硅钢材料定子为研究对象,在SolidWorks软件中建立模型,运用DEFORM-3D软件对定子冲裁过程进行仿真模拟,通过改变冲裁间隙和冲裁速度,分析了冲裁过程中定子应力、应变和材料内部流动速率的变化规律。研究表明,随着冲裁间隙增大,最大冲裁力逐渐减小,且断裂成形存在滞后性;随着冲裁速度的增大,毛刺高度有所增加。研究结果为进一步优化定子冲裁工艺提供了依据,对定子生产制造具有一定指导意义。

基于Ansoft的陀螺马达电磁场有限元分析

以三相交流异步外转子陀螺马达作为模型,应用Ansoft的Maxwell2D有限元分析软件建立了陀螺马达的二维模型,运用瞬态求解器对马达空载和负载工况下的启动过程进行了电磁场的瞬态特性分析,分析结果为马达的进一步优化设计提供了理论基础和依据。

3D打印钛合金个性化骨盆假体静态和步态有限元分析

目的通过有限元分析方法评价3D打印个性化钛合金骨盆假体在站立位静态和步态下的生物力学性能。方法选取3例不同类型的骨盆肿瘤患者,拟行半骨盆切除人工半骨盆置换术。术前行CT和MRI检查,设计相应的个性化钛合金人工半骨盆假体,利用三维重建技术进行骨盆重建,并与个性化骨盆假体装配。通过AnyBody软件建立患者的人体骨肌系统模型并进行步态动力学分析。导入ABAQUS软件,得到3例重建骨盆模型在静态和步态条件下的应力分布和应力集中区域。结果在静态和步态条件下,3例3D打印钛合金骨盆假体的最大应力均小于钛合金的屈服强度,重建骨盆的骨盆环能够满足应力传导规律,患者术后恢复正常。结论 3D打印个性化钛合金骨盆假体对恢复骨盆环的应力传导效果良好,其有效性和稳定性能够满足人体生物力学要求,分析结果可为临床医生和假体设计人员提供参考。

3D打印联合有限元分析技术在中医骨伤本科生临床教学中的应用

目的探讨3D打印联合有限元分析技术在中医骨伤本科生临床教学中的应用价值。方法 2016年3-5月选取进入临床实习阶段的60名中医骨伤专业五年级本科生,随机分为试验组和对照组。在临床教学中,试验组30名学生采用3D打印联合有限元分析技术进行辅助教学,对照组30名学生则采用传统教学方法,对教学效果进行对比研究。结果在理论知识考试、临床技能考核、实习满意度的临床教学效果评价中,试验组学生的得分均高于对照组,两组间差异有统计学意义(P<0.05)。结论在中医骨伤本科生临床教学中,3D打印联合有限元分析技术较传统教学方法具有较好的临床教学应用价值。

脊柱后方3D融合预防胸腰椎骨折晚期矫正丢失:有限元分析与随机对照试验

椎弓根螺钉系统能使胸腰椎骨折椎体高度和矢状面成角获得良好恢复,但是随着下地活动增多或内固定取出后,易发生椎体高度和后凸畸形矫正的丢失。为此,评价双侧关节突和棘突间植骨3D融合对预防胸腰椎骨折合并椎间盘损伤术后晚期矫正丢失的力学机制和临床效果。模拟患者术后内固定取出后状态,建立双侧关节突联合棘突间植骨融合(治疗组模型)和单纯双侧关节突植骨融合(对照组模型)的L1-L2节段的两种外科有限元模型,按照脊柱三柱理论,对模型施加压缩、前屈与后伸荷载。两种外科模型通过治疗组(11例)和对照组(13例)的前瞻性临床随机对照试验,进行放射学检查。治疗组模型的椎间盘竖向压缩位移和应变较对照组模型明显减小,双侧关节突植骨区应力负荷也较对照组模型减小,而且治疗组模型的后柱比对照组模型形成了更加强化的张力带。治疗组在术后晚期的临床试验结果优于对照组,其差异具有统计学意义(P<0.05)。双侧关节突联合棘突间植骨3D融合比单纯双侧关节突植骨融合更能有效重建脊柱三维稳定性,能较好地获得骨性融合,防止术后晚期伤椎高度丢失以及后凸畸形矫正丢失。有限元分析结合小样本临床随机对照试验,有利于外科手术的设计、评价和优化。

卫星偏置动量轮3D模型的优化设计与有限元分析

为提高卫星姿态控制系统的精度、寿命以及确定卫星合理的有效载荷和性能指标,提出了偏置动量轮整体优化设计方案。通过三维实体建模软件Pro/E建立轮体、壳体的密封罩和底座的简化几何模型,依据动量轮轮体和壳体的特性与设计要求,建立动量轮整体优化设计的数学模型;利用Matlab软件中fmincon和fminimax函数分别进行偏置动量轮整体优化设计计算。结合优化结果对结构尺寸进行适当调整,取动量轮半径为81 mm,轮缘高度和宽度分别为24、6 mm,轮辐高度和宽度分别为21、6 mm,轮体内环倒圆和外环倒圆为20、5 mm,壳体厚度为1 mm。经有限元分析验证后轮体的静态和动态性能均达到了指标要求,体积减小了15%。

3D打印模型结合有限元分析技术在骨科本科生临床教学中的研究价值

目的探讨3D打印模型结合有限元分析技术在骨科本科生临床教学中的应用价值。方法本研究选择齐齐哈尔医学院2014级本科临床专业学生61名,随机将其分为实验组(31例)和对照组(30例),分别给予3D打印模型结合有限元分析技术和常规教学模式,对比两组学生的实习考核成绩和对教学模式的满意度等。结果实验组实习生的理论知识、技能操作及互评得分成绩均显著高于对照组实习生成绩,组间差异具有统计学意义(P<0.05);实验组学生对教学模式的满意度为100%,对照组学生对教学模式的满制度为73.33%,具有统计学意义(P<0.05)。结论 3D打印模型结合有限元分析技术能够将实习生的解剖、生物力学和临床实践相结合,有助于提高实习生学习兴趣,对于临床骨科带教有着较好的应用价值。

FDM彩色3D打印机同步轮座设计及有限元分析

同步轮座是FD M彩色3D打印机的重要零件,承受很大的同步带张紧力,且结构比较复杂,不适于采用常规的计算方法。文中采用有限元法对同步轮座进行了强度分析。结果表明,设计的同步轮座满足强度要求。

3D块体有限元分析程序的应用

本文基于三维块体有限元分析理论编制了三维块体有限元分析程序FEP3D。该程序可实现网格自动划分且可将应力值合成内力值。算例分析表明：FEP3D的计算结果与商业通用软件ALGOR FEAS的计算结果吻合较好，而使用FEP3D进行计算只须划分较稀疏的网格即可达到较好的精度，有一定的实用性。

基于DEFORM-3D对AZ31镁合金往复挤压变形均匀性有限元分析

通过DEFORM-3D对不同的模具进行往复挤压变形有限元模拟,研究了不同挤压比λ、挤压角度θ和变形区长度l对AZ31镁合金等效应变分布的影响。结果表明:模具挤压角度在45°~60°时,有助于改善等效应变分布的均匀性,挤压角度由30°增大至60°时,线性拟合后斜率从0. 85降至0. 53。减小挤压比λ和变形区长度l对改善等效应变分布均匀性效果显著,挤压比λ由4. 69减小至2. 64时,线性拟合后斜率从0. 53降低至0. 2。变形区长度l由5. 4 mm变为圆弧过渡(圆角半径r=5 mm),等效应变不均匀程度参数Ci从0. 4减小至0. 258。当模具挤压角度为45°,颈缩区直径为Φ16 mm (λ=2. 64),变形区长度l改为r=5 mm圆弧过渡时,试样等效应变不均匀程度参数Ci=0. 102,在模拟结果中数值最小,表明等效应变分布最均匀。

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。