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。

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。

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。

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。

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FLAC 3D的云南省沙坝村滑坡稳定性分析

为了分析云南省丘北县沙坝村滑坡稳定性,基于FLAC 3D软件数值模拟方法,通过Rhino 6软件与Griddle 2.0插件建立了滑坡稳定性分析模型,通过模拟天然工况与暴雨工况条件下滑坡位移与内部应力状态,计算该滑坡的安全系数。结果表明:该滑坡在天然工况下安全系数为1.426,处于稳定状态;暴雨工况下,该滑坡安全系数为1.020,处于失稳边缘,滑坡后部剪应变增量集中,可能产生裂缝。研究成果可为制定针对性的滑坡防治措施提供参考。

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。

3D打印前臂外固定支具的有限元分析与结构优化设计

背景:使用3D打印技术制作适合患者个性化的支具普遍存在,但却缺乏支具对前臂骨折断裂处保护效果的生物力学验证。目的:将逆向建模、有限元分析与拓扑优化等方法相结合,提出一种3D打印制作前臂支具的可行性方法,并通过有限元分析验证支具的有效性。方法:采用逆向建模方法,通过医学图像处理软件Mimics构建1例男性志愿者前臂模型,并利用参数化设计软件Grasshopper对Rodin 4D采集的前臂数据进行处理并建立支具模型。依据前臂生物力学特性对佩戴支具的前臂整体模型进行有限元分析,再根据有限元分析结果对支具进行拓扑优化并作打孔处理,最后用3D打印机将支具打印出来。结果与结论:(1)在100 N的压力载荷下,骨折断裂处应力与位移分别为1.53 MPa和0.27 mm,而前臂在支具保护下断裂处的应力与位移分别下降到0.19 MPa和0.005 mm;(2)在保证支具力学性能前提下对支具进行拓扑优化,通过对比优化后支具的支承刚度结果,选择减少40%体积作为优化结果,再根据优化结果使用Grasshopper插件对支具进行打孔减材处理;(3)通过对比由不同文样镂空设计的支具强度,选择泰森多边形作为打孔文样;(4)提出使用数字化设计与3D打印技术制作的前臂支具具有可行性,实验建立了完整的前臂支具设计、验证及制造系统。

基于PLAXIS 3D模型的地铁旁深基坑开挖有限元分析

以天津鲁能绿荫里项目深基坑降水及土方开挖工程为研究对象,采用岩土工程有限元分析软件PLAXIS 3D进行模型构建,研究深基坑土方开挖对邻近既有地铁结构及隧道的影响,探究影响土体沉降量及结构变形的因素,验证施工工艺的可行性,并进行总结。研究表明,土方开挖后基坑周围会出现沉降带现象且基坑围护结构会向内凹进;采用分步开挖的施工方法对减轻基坑施工对地铁站及隧道的影响有积极作用;相邻基坑存在力的传递,此区域围护结构变形及沉降较大。

基于有限元模拟的边坡稳定性分析

为了对某边坡进行稳定性分析,探究边坡失稳过程中体应变变化规律。该研究选取湖北省恩施土家族苗族自治州某新建水厂的挖方边坡为研究对象,建立FLAC3D计算模型,根据强度折减法以及fish语言,计算该挖方边坡的安全系数,研究计算过程中边坡体应变的变化曲线。计算结果表明,该挖方边坡在开挖后处于不稳定状态,安全系数为0.879,滑动面均贯穿整个边坡,且边坡失稳过程中其体应变呈现先缩小后迅速增大的规律。该研究最后基于理正深基坑7.0及Geo-Studio软件对该挖方边坡进行边坡支护设计,同时边坡失稳过程中的体应变变化规律对于监测边坡失稳具有重大意义。

基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析

背景:三点力学是踝足矫形器矫正与预防足部各类疾病的有效方法,目前关于3D打印踝足矫形器的临床应用研究已普遍存在,但其涉及三点力学矫正的数值模拟与有限元分析报道相对较少,缺乏相关生物力学实验验证。目的:通过有限元法对踝足矫形器与足部复合模型进行三点力加载分析,观察在三点力干预下佩戴踝足矫形器的足部矫正效果,验证三点力的有效性及踝足矫形器的可靠性。方法:基于医学图像处理软件Mimics构建1例健康志愿者足踝三维模型,采用Rodin 4D与Geomagic逆向工程软件对各模型进行优化处理,设计个性化踝足矫形器模型。利用Solidworks软件对足踝模型进行内侧翻转10°以模拟足内翻病态,通过ANSYS软件结合三点力学原理对足部施力区进行静力加载,在满足人体足部痛阈时分析足踝各组织形变与应力变化,利用显示动力学进一步验证踝足矫形器施加三点力的有效性。结果与结论:(1)设计的个性化踝足矫形器具有预防足踝内翻和固定作用,在未穿戴踝足矫形器时,受到1 N·m内翻载荷后足踝内翻1.81mm,而穿戴踝足矫形器后仅为0.44mm,变形率降低75.7%,预防内翻效果明显增强;(2)仅冠状面矫正时,跟骨力系过小会加剧患者前足内翻,调整足跟内侧与内踝上方矫正力后,前足内翻角与跟骨位得到改善,但足部内侧趾骨区仍有不同程度内收移位,会加剧患者前足内收畸形;(3)冠状面、水平面两组三点力系统联合作用矫正效果优于单冠状面,表现为在足跟内侧、第一跖骨干内侧、外踝下方与内踝上方的力(25,10,10,20 N)作用下,前足内侧趾骨无内收移位,前足内翻角减小,并沿X轴外翻矫正1.395 mm,跟骨外翻矫正1.227mm,在变形比例放大云图下跟骨内翻角由10.21°矫正至7.25°,内翻角改善28.9%;(4)两平面三点力作用下,足底外侧跖骨负荷减小,内侧跖骨负荷增加,矫正后足底骨骼应力显著得到改善,进一步验证了三点力原理的可靠性,该研究为临床患者穿戴踝足矫形器治疗足内翻提供了重要理论支撑。

纬平针织物的力学性能有限元分析

针对用纱线进行纬平织物打样试织来预测织物力学性能和外观效果费时费力的问题,通过有限元分析对5种纬平针织物进行力学模拟测试实验。首先拍摄织物图像,选取19个特征点并获取坐标,用3次NURBS曲线对特征点进行拟合,构建微观单线圈中心曲线3D模型;根据该模型建立细观线圈单元模型,并通过衔接嵌套得到宏观织物模型。然后依次利用ABAQUS软件对单根纱线进行拉伸模拟实验,验证其在ABAQUS中赋予的材料属性正确性;对织物模型进行纵向拉伸和顶破实验,将材料属性在ABAQUS中赋予宏观织物模型,根据国家标准赋予分析步并提交分析。结果发现,模拟结果与实验结果基本一致。该分析方法的应用可降低企业的打样成本。

基于FLAC3D软件模拟港池疏浚对高桩码头结构及岸坡的影响

基于内河某码头港池疏浚项目,采用FLAC3D软件建立三维模型,对疏浚前后码头各构件以及岸坡的位移与应力变化进行分析研究。结果表明:疏浚工程会对码头部分构件产生重要位移及应力的影响。疏浚完成后,在码头与驳岸接驳位置产生了较大的沉降,为28 mm左右;在码头斜桩段位置出现了最大水平位移,为4 mm左右;在引桥纵梁正下方,所在区域土层发生了最大水平变形,为70 mm左右。随着码头南端与引桥距离的增加,桩基支撑作用逐渐减弱,桥梁的侧向变形逐渐增大,同时在引桥后方桩位置处出现了最大弯矩与最大剪力。

基于SOLIDWORKS和有限元分析的齿轮泵设计

本文介绍使用SOLIDWORKS对齿轮泵进行参数化的结构设计,通过“均值赫兹收缩应力”法对齿轮的应力进行计算的方法,并利用有限元分析对齿轮泵运行过程中的应力分布进行分析。本文介绍的方法能够实现高效的齿轮泵设计、仿真运行及应力分析,大大缩短了齿轮泵设计的周期。

基于FLAC3D的地震作用下边坡动力稳定分析

为进一步研究在地震作用下的边坡动力稳定,以某边坡为例,基于FLAC3D对该边坡在地震作用下的动力稳定进行全面分析,分析了其在地震作用下的加速度响应、位移响应和结构面屈服响应,并分别采用平均时程安全系数法、拟静力法和动力强度折减法求解边坡潜在的3个块体在地震作用下的安全系数,结果表明:相对位置较高、结构面相交处、地形变化幅度较大的区块,在地震作用下的加速度响应更加明显;位移响应一部分随着地震加速度呈现周期性的变化,另一部分随着地震作用而逐渐累积增大,主要位移变化方向与加速度输入方向一致;潜在滑块的位置越高、结构面抗剪强度越低,在地震作用下的变形和位移越大,稳定性越差;潜在底滑面以剪切屈服破坏为主,其他结构面以张拉屈服破坏为主;对于具有明显潜在滑动面、可明确潜在滑块的岩质边坡,采用平均时程安全系数法、拟静力法和动力强度折减法计算地震作用下边坡的安全系数结果基本一致。为防治地震导致的滑坡等次生灾害提供了一定的理论依据和技术支撑。

基于FLAC3D三维有限元深基坑稳定性分析

经济的高速发展使得人们对于大型结构的需求不断增加,为保障大型结构工程的安全与稳定性,深基坑工程愈加重要,文章应用FLAC3D软件结合绵竹市某广场深基坑工程场地地质条件与边界条件,建立三维模型并选取三个典型剖面,分析了开挖前地层初始应力、基坑边墙应力与位移,基础顶面与底部沉降及支护结构内力等关键问题。

FLAC3D在高速公路边坡稳定性评估中的应用

本文针对某高速公路边坡使用无人机摄影测量技术获取边坡DTM数据,通过ArcGIS软件制作边坡的三维数字地形模型,在FLAC3D软件中建立研究区域的网格模型,输入内摩擦角、黏聚力、体积模数、剪切模数等边坡试验数据参数,使用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则进行模拟,分析边坡的应力、应变分布情况,揭示出边坡受力、应变和移位分布等方面的情况。结果表明,现坡面总体稳定,但集中出现局部受力现象。本次研究为边坡的进一步加固和事故预防提供了科学依据。

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。