有限元方法在脑震荡领域的热点:脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进

背景:由身体接触性运动或交通事故造成的脑震荡远比人们想象的更为严重与常见,近年来引起了媒体、医学界及体育界的广泛关注与高度重视。目的:采用文献计量学方法对有限元方法在脑震荡领域的研究热点与趋势进行可视化分析,从而为中国在该领域的研究提供一定的参考。方法:基于Web of Science核心集数据库进行文献检索,检索主题词策略为(TS=(Concussion)) AND TS=(Finite element),利用CiteSpace 6.2.R4可视化工具对纳入文献的作者、国家、机构、关键词及被引文献等进行可视化分析。结果与结论:(1)共计纳入215篇文献,发文量与被引量总体上呈上升趋势;学科分布涉及生物医学工程、生物物理学、运动科学、临床神经学及神经科学等学科,呈现多学科交叉融合的趋势;发文量最多的作者是来自爱尔兰都柏林大学的Gilchrist M,发文量最多的机构是渥太华大学,发文量最多的国家是美国。(2)通过关键词分析发现研究的热点聚焦于脑损伤模型的建立用来模拟和预测脑震荡的损伤;脑震荡损伤机制的解析;防护设备和装置的优化设计。(3)通过文献共被引分析发现脑损伤的预测与评估是该领域的知识基础亦是研究热点。(4)有限元方法运用在脑震荡领域的研究热点主要围绕头部损伤预测为主题展开,结合探索大脑损伤机制以及防护装备的设计与改进。(5)随着人工智能与材料学的进步,未来有限元方法在脑震荡损伤领域的研究热点将集中于脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进。

基于等效模型的砖石古塔有限元模型修正方法

针对砖石古塔实体有限元模型节点众多导致修正效率低下问题,提出了一种将实体模型和杆系模型相结合的有限元模型快速修正方法。基于古塔结构的测试输出信号,使用随机子空间法识别了塔的自振频率。使用整体连续式方法建立了ABAQUS有限元模型,基于实测结果,使用萤火虫算法修正了塔的弹性模量、密度。修正后的有限元模型的计算结果与实测结果对比,能够较好吻合,说明修正后的模型可靠,可以作为后续抗震性能分析的基础。

基于三维有限元模型的人体全腰椎振动特性研究

振动暴露被认为是诱发腰椎退行性病变和下腰痛的重要原因,本研究旨在探寻振动载荷对腰椎生物力学的影响。基于人体腰椎L1节段至骨盆(L1-pelvis)的CT扫描数据,重构L1-Pelvis三维几何模型。对该几何模型进行网格划分和材料特性赋值,建立L1-Pelvis三维有限元模型,并利用可获得的实验数据对模型的有效性进行验证。基于该有限元模型,通过瞬时动态分析计算出腰椎各运动节段在幅值40 N,频率5 Hz轴向正弦振动载荷作用下的力学响应,并与-40 N和+40 N轴向静态载荷作用下的结果进行对比,响应参数包括椎体轴向位移、纤维环膨出变形和纤维环基质冯·米塞斯应力。研究结果表明,相比于静态载荷,振动载荷下腰椎各运动节段的椎体轴向位移、纤维环膨出变形、纤维环基质冯·米塞斯应力的幅值分别增加了0.550~1.020 mm、0.124~0.251 mm、0.043~0.099 MPa,最大增幅分别可达195.0%、175.7%、151.4%。从量化角度说明振动载荷下腰椎发生损伤的风险更高。

基于有限元分析的连续油管寿命研究及预测模型

目前针对连续油管的寿命预测研究较少,但在实际的生产中连续油管的突然失效会造成极大安全隐患,急需解决方案。针对此问题,本文使用有限元仿真方法,针对三种规格的CT80连续油管在不同工况下进行有限元分析,得到了连续油管的受力、形变和疲劳寿命。用疲劳试验对有限元分析进行验证,证明了有限元分析的疲劳寿命的准确性。将连续油管的直径、壁厚、内压、弯曲半径参数转化为外壁应变和环向应力,通过数据拟合建立了关于外壁应变、环向应力和疲劳寿命之间的全经验公式,得到连续油管疲劳寿命预测模型。并用试验得出的结果与疲劳寿命预测模型进行比较,误差较小,可用于CT80连续油管的疲劳寿命预测,最后通过疲劳试验得到了连续油管在二级加载下的疲劳寿命模型,该模型可预测油管在第二级载荷下的剩余疲劳寿命。

基于Kriging模型的多次尝试差分进化贝叶斯有限元模型修正

标准差分进化自适应Metropolis(differential evolution adaptive Metropolis,DREAM)算法需进行多条马氏链并行计算,存在收敛效率低和计算成本高的问题。为此,提出一种基于Kriging模型的多次尝试差分进化贝叶斯有限元模型修正(multiple-try differential evolution adaptive Metropolis with“ZS”,MT-DREAM(ZS))框架。该框架在DREAM的基础上引入历史向量差分采样、斯诺克更新以及多次尝试Metropolis抽样,并利用Kriging模型代替有限元模型进行随机抽样,实现利用极少数并行链便可快速探索多维修正参数后验分布。利用固结钢板梁模型试验,比较了DREAM和MT-DREAM(ZS)的修正效果。结果表明:MT-DREAM(ZS)可实现马尔科夫链的快速收敛,其收敛效率较DREAM提升了3.42倍,且修正结果精度和稳定性有提升;Kriging模型可大幅度降低计算成本。所提框架为解决多参数不确定模型修正中的收敛效率低和计算成本高等问题提供了一种新思路。

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。

建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。

考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型

针对机床数字化设计中典型结合面建模精度误差较大的问题,提出了一种采用虚拟材料等效结合面静力学特性的方法,建立了考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型,并完成了相应的静刚度测试实验。首先,综合考虑了弹塑性变形机制和摩擦力的影响,提出了一种新的结合面法向和切向刚度的分析模型;其次,根据不同类型结合面的特点,采用虚拟材料模拟结合面的刚度特性,建立了刚度特性与虚拟材料弹性模量和泊松比的关系,并将其应用于精密数控机床整机的静刚度分析;最后,开展了整机工艺系统的静刚度测试实验,得到了主轴末端X、Y、Z三个方向的刚度分别为26.60 N/μm、41.87 N/μm和40.17 N/μm,并将其与仿真数据进行了对比。研究结果表明:不考虑结合面影响的模型相对误差将近17%,而考虑结合面影响的模型相对误差在5%以内,验证了考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型的有效性;采用虚拟材料等效结合面静力学特性的方法可作为机床数字化设计的一种可行的方法。

考虑非饱和土基质吸力-回弹指数相关性的弹塑性本构模型及有限元实现

非饱和土压缩指数受基质吸力影响明显,回弹指数是土的临界状态本构模型中的重要变形参数。但在本构模型理论研究中,回弹指数随基质吸力的变化影响往往被忽略。为解决这一矛盾,以杭州地区重塑粉土为试样,使用GDS非饱和直剪系统的竖向加载功能,对试样进行50、100、200 kPa 3种定吸力条件下一维固结回弹试验,获取不同基质吸力非饱和回弹指数κ(s),并拟合得到κ(s)函数关系,对比已有试验研究,验证了拟合结果的合理性。进而将κ(s)表达式引入非饱和土扩展剑桥弹塑性本构模型,形成一种考虑回弹指数随基质吸力变化的非饱和土弹塑性本构模型。应用子增量步显示积分算法将该模型编辑成ABAQUS有限元UMAT子程序,最后基于ABAQUS有限元平台结合自编UMAT子程序进行固结回弹数值试验,模拟实际试验过程,对比两者试验结果,验证了该UMAT子程序的正确性。实现了一种考虑回弹指数随基质吸力变化的非饱和土弹塑性本构模型的数值化,为其进一步应用建立基础。

小半径曲线梁桥的无缝线路有限元模型简化研究

为更简便地建立小半径曲线梁桥的无缝线路有限元模型,降低计算成本并保证计算精度的可靠性,本文比较分析不同简化程度的模型。首先,依据已有桥上无缝线路模型的形式,通过不同程度简化桥梁上部结构,由简到繁确立了单刚臂模型、多刚臂模型、准梁格模型、平面壳模型、空间壳模型、实体模型共6种模型,并通过扣件横向和纵向阻力试验取得了模型的关键参数;其次,以曲线半径为200 m的(40+50+50+40) m连续梁桥为实例,计算了桥上无缝线路在伸缩、挠曲、制动和断轨等其他组合工况下的结果;最后,以实体模型的计算结果为基准,将前5种模型的计算结果与实体模型的进行对比,通过欧几里得距离量化分析了各模型的计算精度。研究结果表明:综合考虑模型复杂程度和计算精度,多刚臂模型和准梁格模型相比于空间壳模型性价比更高,梁格法在桥梁工程中被大量用于异形桥梁计算,且支座分布以及边界条件更符合实际情况。因此,推荐在进行小半径曲线梁桥的无缝线路计算时采用准梁格模型。

桥梁信息模型——有限元模型转换接口研发

针对当前桥梁信息模型难以自动转换为有限元模型,且转换过程中存在关键几何信息丢失、荷载和边界条件难以添加等问题,本文基于Revit API二次开发技术,采用C#语言在Visual Studio2022平台开发了Revit信息模型与ANSYS有限元模型之间的转换接口。该接口实现了从信息模型获取构件几何信息、空间位置、物理信息、荷载和边界条件等功能,并将这些信息转换为ANSYS APDL命令流,通过后台启动ANSYS导入命令流生成有限元模型,完成荷载添加和边界条件设置,进行计算分析。本文详细介绍了转换接口的开发思路、工具和关键技术,并通过工程案例验证了该接口的准确性、便捷性和高效性。

断裂相场模型的三维自适应有限元方法

发展了鲁棒的预测-校正算法,建立了断裂相场模型的三维自适应有限元分析.相场模型可以方便地处理复杂的断裂问题,避免了额外追踪裂纹路径且没有网格依赖性.然而,三维相场建模往往需要非常精细的网格,这降低了求解效率.针对该问题,基于交错求解方案发展了预测-校正网格自适应细化算法,实现了三维结构裂纹扩展的高精度分析.数值算例表明,所发展的方法能够准确合理地描述结构的裂纹扩展,同时网格可以在裂纹扩展的路径上自适应地细化.

基于web技术的有限元模型和成果可视化方法研究

在水利水电工程设计及运行阶段,经常使用有限元分析方法进行结构受力变形分析。以往多数情况下都是高校或科研单位将有限元分析结果以固定图表的成果形式以研究报告的方式呈现给设计或运管单位,倘若边界条件或材料参数发生变化,设计或运管单位无法实时了解新的计算成果。随着Web技术的发展,使得将有限元模型和分析成果以可视化、交互式的方式向设计及运管人员进行实时呈现成为可能。借用基于WebGL技术封闭的Three.JS框架,实现了拱坝三维有限元网格模型及分析成果在用户浏览器上的可视化呈现,能够让用户通过交互式方式对有限元模型及分析成果进行动态浏览和查看,方便用户全面了解计算成果。该方法为数字孪生水利工程建设提供了计算分析成果在线查询技术,具有广泛的应用价值。

人体胸部有限元模型的构建与军事应用

为推动人体胸部有限元模型的构建与仿真应用研究,结合实际场景,针对爆炸、钝性弹道冲击、高速弹道冲击,3种不同场景下的人体胸部有限元模型结构进行了详细分析。由于人体胸部组织的生理结构存在差异,因此,在受到弹道冲击和碰撞时,不同类型的组织会出现不同程度的损伤。对不同场景下的人体胸部有限元模型进行了综合分析,明确了其优劣特点,并提出了一些建议来优化这些模型,以提高其生物保真度和精确度。通过减少事故中胸部组织受损的程度,满足单兵防护等相关领域对人体胸部冲击研究的需求。

基于CiteSpace的腰椎黄韧带有限元模型国内研究的可视化分析

目的基于Cite Space探讨腰椎黄韧带有限元模型研究的热点与趋势。方法检索1990年1月至2023年8月中国知网、维普网、万方数据知识服务平台3大数据库中,腰椎黄韧带有限元模型的相关中文文献;运用Cite Space 5.7.R5软件生成作者、机构合作、关键词等图谱。结果共纳入文献1395篇,发文量总体呈增长趋势;核心作者丁宇发文最多;发文量最多机构为上海大学期刊社;关键词中“生物力学”出现频次最高;生成了“生物力学”等9个聚类;时间线路图中,最大的节点为“姿势性脊柱后凸”;突现图中“活动度”的研究持续至今。结论腰椎黄韧带有限元模型领域的研究总体增加,主要热点是“生物力学”,“脊柱”将是未来有限元领域的研究重点。

大跨径石拱桥动力特性分析与有限元模型修正

【目的】研究云南省开远市长虹桥动力性能及得到较为准确的有限元分析模型。【方法】通过环境激励法对长虹桥进行动力特性测试,并分析该桥实测模态参数;根据实测模态参数结果,对有限元模型中的弹性模量、泊松比等参数进行修正;基于理论与实测的模态分析结果,得出长虹桥较为准确的有限元分析模型。【结果】结果表明:石拱桥的跨中、L/4、3L/4、L/8和7L/8处的振动变形较大,在运营监控和检测时,应该在这5个位置布置测点,以便进行实时监测;在环境激励下,该桥没有产生侧向弯曲振动和竖向弯曲振动强度相当的扭转振动,说明结构具有良好的抗扭刚度;各阶阻尼比均在合理范围内。利用模态参数修正后的频率相关性从55.2%降至最低0.6%,数值计算结果与试验结果基本一致,参数依然具有物理意义,修正后的有限元模型能够较为准确地反映结构低阶动力特性。相关性最大为-2.4%,最小为0.6%,满足相关性在±5%以内,可作为桥梁后续检测工作的理论模型。【结论】长虹桥动力性能良好,修正后的有限元模型贴合实际桥梁。

振荡器驱动方板的有限元模型和克拉尼图形

振荡器驱动的方板在稳态振动时所形成的克拉尼图形(驻波节线图形)在噪声源识别和颗粒移动操控等领域得到广泛应用。现有的对方板克拉尼图形的研究多采用实验和近似的理论分析方法。基于参数分析建立振荡器驱动方板的简化有限元模型和适当的边界条件,进而通过固有频率和振型分析,根据振型有效质量的大小预测和再现多组实验中出现的共振频率和克拉尼图形。对薄板在任意驱动频率下的稳态振动,通过振型叠加法快速准确计算出其振幅节线图形,与实验中相同频率下的克拉尼图形几乎相同。振荡器驱动的方板在共振频率下的克拉尼图形可解释为固有频率对应的振型,在非共振频率下的克拉尼图形可以解释为多个振型的叠加。通过建立具有适当边界条件的有限元模型,对振荡器驱动方板的克拉尼图形给出具有明确物理意义解释。

不同牙周膜有限元模型应力响应的力学分析

为寻求更可靠的牙周膜(periodontal ligament,PDL)材料建模方式,研究分析了PDL在不同有限元模型下的应力响应。根据CT扫描数据构建人下颌牙周组织三维模型,建立未分层和分层两种PDL模型,未分层模型整体赋予其超弹性属性,分层模型将PDL从上到下分为5层并逐层赋予其超粘弹性属性,施加唇舌向1.5 N正畸力,仿真计算两种模型的PDL应力分布。结果表明:两种模型下的PDL应力响应值均为尖牙最小,且各PDL应力响应值从上到下均呈现先减小后增大的趋势;分层超粘弹性模型与未分层超弹性模型相比,PDL最大、最小应力值出现位置大致相同,而在数值上普遍更低:最大值降低了0.22%~42.95%,最小值降低了5.71%~10.52%。未分层PDL模型下的分析结果会误导选择较小的正畸力,而分层超粘弹性模型更能体现PDL不同水平方向的力学特性差异,以此方式建模更为真实可靠。

基于有限元与LSTM机器学习模型的边坡稳定性预警分析

从降水量与边坡含水量关系出发,找寻边坡物理力学性能与含水量的相关关系;然后进行某地区历史降雨量大数据分析,通过LSTM模型预测未来降水量,后利用FLAC3D进行有限元强度折减法分析模拟边坡破坏和位移情况并计算边坡稳定系数,找寻临界稳定系数对应的边坡含水量进而得知对应降水量大小。根据预测给出可能的危险时段,提出预警,以便于工程人员防护治理。研究发现危险情况集中于4月至9月部分时段,对于未来边坡预警和治理提供了新的可行应对方法。

混凝土徐变B4模型有限元实现及应用

混凝土作为当下应用最为广泛的建筑材料,其自身徐变的特性对结构的耐久性及安全性均有较大的影响,对混凝土徐变预测已经成为复杂结构设计过程中必不可少一个环节。因此为进一步优化数值分析中对混凝土徐变的模拟效果,优化有限元软件中针对混凝土徐变计算过程,本文基于微预应力-固结理论,将预测效果优秀、理论分析合理的B4模型结合粘弹性本构,通过在ABAQUS软件中进行二次开发,编写相应子程序实现其在数值分析中的应用。并通过相应算例证明所构建的子程序可以准确地对混凝土徐变的发展过程进行模拟,能为进一步研究混凝土徐变发展及实际工程应用提供一定参考价值。