石墨填料垫片变形特性研究

针对石墨填料垫片会在使用过程中发生边角撕裂的问题,本文基于密封试验台结构及材料的弹塑性,建立了垫片系统的有限元模型,模拟了垫片的压缩回弹过程,并通过压缩回弹实验验证了模型的准确性。通过分析石墨填料垫片在不同尺寸、压缩率及侧面间隙的条件下,加卸载过程中的压缩回弹曲线变化,验证了石墨填料垫片边角应力集中现象。通过分析上密封面和侧密封面的应力分布,阐述了石墨填料垫片边角撕裂是由于上表面两侧过大的应力峰值导致的,且包边结构能明显改善垫片压缩后的边角撕裂问题。

高压反应釜螺纹式快开结构强度分析

为了解决工程中常用的卡箍式及齿啮式快开结构反应釜难于满足介质操作过程中均温性要求的问题,笔者设计了一种均温性能良好的螺纹式快开结构反应釜装置,用于热塑性聚氨酯弹性体(thermoplastic polyurethane elastomer,TPU)材料生产以提高其生产质量。分别建立平盖、碗形盖和凸形盖3种快开结构有限元模型,分析螺纹应力分布情况并进行设计压力工况及热-力耦合工况的应力强度评定。结果表明:3种快开结构的筒体端部内螺纹根部应力整体高于釜盖外螺纹,其应力均随着螺纹扣数增加而减小;2种工况下3种快开结构的最大应力均出现在第1扣螺纹根部,当考虑温度载荷影响时,热应力分别增大了13.97%,9.30%和4.79%,应力和疲劳强度均满足要求。对比表明凸形盖螺纹式快开结构承压承温的综合性能较好。

外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响。方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态3个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力。结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小65.8%。鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第4、5跖骨处峰值应力增大。结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第4、5跖骨处倾斜角度的设计建议。

基于流固耦合的骨架膜结构优化

为了实现骨架膜结构的优化设计,基于ANSYS平台考虑了膜结构在风荷载作用下的结构变形对建筑表面风压分布的影响,采用双向流固弱耦合的方法对某低矮类膜建筑在不同风向角下的定常风场特性与其围护骨架膜结构的风致结构受力进行了研究,并以此为依据采用响应面法对骨架膜结构中各杆件的截面尺寸进行了优化.结果表明:仿真所得建筑表面风压分布与同类模型风压实测数据、风洞试验数据以及国家相应规范吻合较好;不同风向角下骨架膜结构的受力状态不同,其中90°风向为该结构的最不利工况;采用响应面法得到了该骨架膜结构中各杆件的截面尺寸对结构受力的影响关系,并将该结构整体质量降低了14.73%.

一种新型髋关节假体柄的生物力学设计

目的基于一种新型髋关节假体柄设计,分析其在站立、行走、跑步和坐姿工况下的应力分布差异。方法基于人体CT数据,建立7组不同柄植入后的髋关节模型,利用有限元分析方法计算不同工况下假体柄和股骨应力情况。结果与植入传统假体柄相比,站立时新型假体柄植入后假体柄应力峰值降低23%、股骨应力降低72%。7种假体柄结果显示,假体柄高度为86.5 mm的新型设计最符合患者需求。多工况结果显示,患者处于坐姿,柄承受应力最小,使用寿命更长。结论新型假体柄有助于延长假体使用寿命,减小骨损伤风险。髋关节假体模型为后期柄的设计及患者术后康复提供科学理论支撑。

乳化液高压泵阀座拉拔器优化分析

基于机械工程和材料力学,对乳化液高压泵用阀座拉拔器进行设计优化。通过Creo建模软件建立拉拔器的立体模型,导入到Workbench有限元仿真软件中模拟拉拔器工作环境,赋予拉拔器不同材料,探索拉拔器关键尺寸。通过分析拉拔器受力情况求解拉拔块受到阀座的压力,进而研究拉拔器关键零部件应力应变分布情况,确定敏感位置,实施优化改进。分析表明:在保持拉拔器座外形尺寸的前提下,提高材料力学性能和适当地减小拉拔块尺寸可以有效改善拉拔器座应力集中情况,从而降低拉拔器在使用过程中发生断裂的频率。

假肢接受腔3D打印模型的正逆向混合建模

针对传统工艺制作假肢接受腔依赖于石膏取型,以及金属阳四爪连接盘与假肢接受腔依赖于人工手动加工连接的问题,提出了一种基于SLA3D打印技术的假肢接受腔制作方法。通过仿真分析软件迭代设计得到承压合理的接受腔模型;通过正逆向混合建模,将光敏树脂接受腔和金属阳四爪连接盘复合。结果表明:3 mm厚的光敏树脂材料符合假肢接受腔的应用要求;切片层厚为0.2 mm时,光敏树脂接受腔和金属阳四爪连接盘的复合效果最佳。用SLA 3D打印假肢接受腔是可行性的。

螺杆转子齿间压力分布算法研究及有限元分析

针对螺杆压缩机转子齿间压力分布计算的问题,本文提出一种基于转子端面型线数据点的齿间容积投影面积法来计算齿间压力分布的算法。首先,基于转子端面型线数据点运用3次B样条理论计算转子齿间面积;其次,基于齿间容积投影面积法建立齿间压力随齿间容积变化的数学模型,借助MATLAB软件编写程序完成齿间内压力计算并输出压力曲线图;最后,基于螺杆压缩机3D模型,运用ANSYS软件FLUENT模块进行同工况下的仿真分析,输出齿间压力分布并与计算出的压力进行对比。结果表明:所提齿间压力算法是可行的,计算速度快,仅需0.57 s,计算精度高,计算结果可靠。

小腿假肢接受腔的三维有限元分析

通过建立三维非线性有限元模型来分析小腿假肢接受腔与残肢之间的载荷分布。此模型基于残肢 ,骨头 ,软套和接受腔的三维几何形状 ,考虑界面摩擦滑动条件和软组织的大变形等非线性因素。模型可以预测不同外载下残肢和接受腔之间的压力 ,剪切力和相对滑动情况。并分析了不同的接受腔形状对载荷分布的影响。

惯性载荷对截肢患者残肢/接受腔界面应力的影响研究

接受腔/残肢界面压力分布特征是假肢优化设计的基础,传统的有限元模型只限于静态分析,不符合实际情况。本文以小腿截肢患者为研究对象,建立了三维非线性有限元模型,给出了一个步态周期内残肢界面压力的变化规律,并对惯性载荷的影响进行了定量比较。结果表明:界面压力主要分布在髌韧带、胫骨内外侧和窝区,一个平地正常速度行走的步态周期内,站立相压力变化呈双峰蝶形,惯性载荷引起的平均压力幅值变化为8.4%;而在摆动相压力幅值变化高达20.1%,并且变化规律相反。行走过程中惯性载荷的影响不能忽略。

小腿截肢患者残端应力的三维有限元动态分析

目的:研究接受腔/残肢界面应力分布特征,为假肢优化设计提供基础。方法:基于核磁共振图像,获得小腿截肢患者残端和假肢几何特征,建立三维非线性有限元模型,通过比较站立状态和行走过程中的界面应力,研究动态载荷对界面压力的影响。结果:界面压力主要分布在髌韧带、胫骨内外侧和窝区,一个平地正常速度行走的步态周期内,残肢界面的最大平均正压力是单腿站立状态下的1.15倍,最大平均切应力是单腿站立状态的1.4倍。结论:动态载荷使残肢和接受腔之间的界面应力增大,行走过程的动态影响不宜忽略。

旋后外旋型踝关节损伤有限元模型的建立与力学分析

目的模拟旋后外旋型踝关节损伤,建立踝关节三维有限元模型。方法基于正常人体踝关节CT图像,建立包含韧带的踝关节三维数值模型;采用有限元方法对Lauge-Hanson分型4种不同程度的旋后外旋型踝关节损伤进行分析,得到踝关节应力及胫距关节面的压力分布。结果施加旋后外旋载荷时,应力最大值位于胫腓前韧带胫骨附着点;断裂胫腓前韧带后,则位于骨间膜;继续断裂骨间膜后,应力较大值位于踝关节后韧带;再断裂胫腓后韧带后,应力较大值位于三角韧带。压力较大值则位于腓骨远端、胫距下关节面后部。结论建立的踝足部三维数值模型可用于旋后外旋型踝关节损伤的的力学机理分析,计算出的踝关节应力及胫距关节面的压力分布符合临床中Lauge-Hanson分型的描述。

子午线轮胎的轴对称非线性有限元分析

建立一种子午线轮胎的轴对称非线性有限元模型 ,用以模拟轮胎的轮辋定位 充气 自由旋转过程。模型考虑了橡胶材料的非线性和不可压缩性、帘线 橡胶复合材料的各向异性、轮胎大变形的几何非线性以及轮胎、轮辋与路面的非线性接触边界条件。通过有限元分析 ,得到了子午线轮胎在充气压力和离心力作用下的变形和应力分布情况 ,并将计算结果与试验结果进行了比较 。

正常和膝外翻情况下胫骨近端内部结构模拟

目的模拟正常和膝外翻时胫骨近端的内部结构。方法采用定量骨重建理论与有限元法相结合,对正常力学环境下胫骨近端的内部结构进行模拟,然后以此结构为初始模型,根据膝外翻情况下胫骨平台压力分布的改变规律,合力的作用点在胫骨外侧平台上,模拟膝外翻后胫骨近端内部结构。结果模拟得到的骨密度分布与真实胫骨进行对比,无论是正常力学环境下还是膝外翻情况下,都与实际非常吻合。结论本研究所采用的方法与载荷的分布方式能够正确地模拟预测胫骨近端内部结构,是进一步研究全膝关节置换术后假体周围骨重建行为的基础。

膝下残肢界面应力准动态有限元模型研究

目的:为计算小腿截肢患者行走过程中残肢和接受腔之间的界面压力。方法:根据残肢、骨骼和假肢接受腔的真实几何形状建立了准动态有限元模型,采用了自动面面接触模型模拟皮肤和接受腔衬套之间的边界摩擦和滑动,并在考虑行走过程中外力和惯性载荷的同时,考虑了膝关节刚体位移和残肢弹性变形之间的耦合。结果:对一个步态周期内的残肢界面压力进行了仿真计算,结果表明界面压力主要分布在髌韧带区、腘窝区、胫骨内外侧。在站立相,除髌韧带区外,其他区域的压力具有与地面反力相似的变化规律。结论:本文所建立的准动态模型考虑了患者行走过程中膝关节位移,更接近于人体真实运动,能够用于假肢接受腔界面特性的预测和现代假肢的数字化设计。

螺旋槽式液体机械密封的动力学性能分析

采用有限元法求解螺旋槽式液体机械密封的雷诺方程,得到了机械密封中的二维压力分布,并在此基础上建立了机械密封的动特性参数的表达方式和计算方法.结合对某典型的人字形螺旋槽式液体机械密封的动特性参数的计算与分析,给出了结构参数和运行参数对螺旋槽式液体机械密封动力学性能的影响,在密封间隙大于10μm时可忽略流体动力学的影响.分析了液体机械密封的动力学稳定性,在一定工况下机械密封的力刚度和力矩刚度系数会成为负值而造成密封系统失稳.在机械密封设计中引入了密封动力学设计的概念.

金属垫片接触应力分布的数值模拟

利用ANSYS对不同螺栓载荷下的垫片接触应力分布进行了数值模拟。结果表明,垫片接触应力径向分布是非常不均匀的,垫片外侧接触应力比其内侧大得多。垫片接触应力径向分布除受螺栓载荷和介质压力影响外,还与法兰刚度和垫片几何尺寸有关。

残肢与接受腔的三维有限元动态分析

以小腿残肢为研究对象,建立了残肢与接受腔三维有限元模型.根据行走过程中残肢与接受腔的动态边界条件,对残肢在一个步态周期内的5个典型步态时相进行了动态受力分析.结果表明,残肢的受力主要分布在髌韧带、胫骨内突、胫骨前脊、胫骨远端、腓骨头及腓骨远端.有限元动态分析较精确地分析了残肢在行走中的受力情况,克服了静态分析不能模拟残肢随步态变化的受力情况的局限性,为假肢接受腔的优化提供了科学的设计依据.

船舶推力轴承纵向液压减振技术研究

针对船舶轴系的纵向振动情况,研究一种嵌入式船舶推力轴承纵向液压减振器,以隔离螺旋桨脉动激励而引起的船舶轴系纵向振动。首先,建立桨轴系统的动力学模型,分析船舶推进轴系纵向减振特点;其次,提出液压减振器模型,开展动力学分析并提出动刚度计算方法;最后开展系统减振效果验证试验,结果表明推力轴承集成纵向液压减振器后可明显降低轴系纵向振动,为船舶轴系声学设计提供方法。

假肢接受腔的计算机辅助设计和应力分析模型

通过建立三维有限元模型来分析大腿假肢接受腔与残肢之间的载荷传递。此模型基于残肢、骨和接受腔的几何形状 ,使用非线性弹性的软组织特性 ,考虑界面摩擦滑动条件 ,施加相同于行走中的外部载荷。同临床试验测试的结果进行对比表明了模型的准确性。